DE102016120416A1 - Electron beam source, electron gun and processing arrangement - Google Patents
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Abstract
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) Folgendes aufweisen: eine Kathode (102s) und eine Anode (104, 604), welche eine Strahlachse (111) definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse (111); die Kathode (102s) aufweisend: einen Hohlraum, welcher sich entlang der Strahlachse (111) in die Kathode (102s) hinein oder durch diese hindurch erstreckt; eine Emissionsfläche (102f) zum Emittieren von Elektronen in den Hohlraum, wobei die Emissionsfläche (102f) den Hohlraum quer zur Strahlachse begrenzt; und einen Elektronenverdränger (102v), welcher sich entlang der Strahlachse (111) in den Hohlraum (613) hinein und/oder durch diesen hindurch erstreckt.According to various embodiments, an electron beam source (100a, 100b, 500a) may include: a cathode (102s) and an anode (104, 604) defining a beam axis (111) for generating an electron beam along the beam axis (111); the cathode (102s) comprising: a cavity extending along or along the beam axis (111) into the cathode (102s); an emitting surface (102f) for emitting electrons into the cavity, the emitting surface (102f) defining the cavity transverse to the beam axis; and an electron displacer (102v) extending into and / or through the cavity (613) along the beam axis (111).
Description
Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlquelle, eine Elektronenkanone, und eine Prozessieranordnung. The invention relates to an electron beam source, an electron gun, and a processing arrangement.
Im Allgemeinen können Substrate (Werkstücke) prozessiert (behandelt), z.B. bearbeitet, erwärmt und/oder strukturell verändert werden, z.B. mittels Elektronenstrahlen. Dazu kann der Elektronenstrahl auf das jeweilige Substrat gelenkt werden, welche diesen absorbiert. Auf diese Weise kann thermische Energie auf das Substrat übertragen werden, so dass sich das Substrat erwärmt. In general, substrates (workpieces) can be processed (treated), e.g. processed, heated and / or structurally altered, e.g. by electron beams. For this purpose, the electron beam can be directed to the respective substrate, which absorbs it. In this way, thermal energy can be transferred to the substrate so that the substrate heats up.
Alternativ können Elektronenstrahlen zum Beschichten von Substraten eingesetzt werden. Dabei wird mittels eines Elektronenstrahls thermische Energie auf ein zu verdampfendes Material (das sogenannte Verdampfungsgut) übertragen und dieses auf diese Weise in die Dampfphase (Gasphase) übergeführt. Der gebildete Materialdampf kann anschließend an dem Substrat abgeschieden werden, so dass dieser eine Schicht bildet. Alternatively, electron beams can be used to coat substrates. In this case, by means of an electron beam thermal energy is transferred to a material to be evaporated (the so-called evaporation) and this converted in this way in the vapor phase (gas phase). The formed material vapor can then be deposited on the substrate so that it forms a layer.
Zum Erzeugen eines Elektronenstrahls können im Allgemeinen Elektronenstrahlquellen eingesetzt werden. Die zum Erzeugen eines Elektronenstrahls benötigten Elektronen werden mittels einer Kathode bereitgestellt, und mittels eines elektrischen Feldes beschleunigt, welches deren Flugbahnen zu einem Elektronenstrahl bündelt. To generate an electron beam, electron beam sources can generally be used. The electrons required for generating an electron beam are provided by means of a cathode, and accelerated by means of an electric field, which bundles their trajectories into an electron beam.
Zum Erwärmen ist es erforderlich ausreichend Energie auf das bestrahlte Material zu übertragen. Dazu kann ein Elektronenstrahl mit einer ausreichend großen Leistung bereitgestellt werden, beispielweise mit einem Elektronenstrahlstrom von mehreren Ampere (A) bei einer Beschleunigungsspannung von mehreren zehn Kilovolt (kV), wobei die Elektronenstrahlquelle eine Leistung von bis zu mehreren hunderten Kilowatt (kW) aufnehmen kann. For heating it is necessary to transfer sufficient energy to the irradiated material. For this purpose, an electron beam with a sufficiently large power can be provided, for example with an electron beam current of several amperes (A) at an acceleration voltage of several tens of kilovolts (kV), whereby the electron beam source can absorb a power of up to several hundreds of kilowatts (kW).
So genannte Transverse-Kanonen erzeugen einen Elektronenstrahl und lenken diesen auf eine gekrümmte nahezu kreisförmige Bahn von ungefähr 270° Krümmungswinkel in einen Tiegel hinein, wo Verdampfungsgut erhitzt und verdampft wird. Bei Transverse-Kanonen sind Strahlerzeugersystem, magnetische Strahlumlenkung und Tiegel in einer Baugruppe untergebracht. Bei ihnen ist eine vakuumtechnische Entkopplung zwischen Strahlerzeugung und thermischen Prozess nicht möglich. Herkömmlicherweise sind Transverse-Kanonen auf eine maximale Leistung des Elektronenstrahls von bis zu 10 kW begrenzt. So-called transversal guns generate an electron beam and direct it onto a curved nearly circular path of about 270 ° of curvature angle into a crucible where vaporizing material is heated and vaporized. In Transverse guns, the gun system, magnetic beam deflector, and crucible are housed in one assembly. With them, a vacuum-technical decoupling between beam generation and thermal process is not possible. Conventionally, transversal guns are limited to a maximum electron beam power of up to 10 kW.
Alternativ werden so genannte Axialkanonen verwendet, welche nach dem Mehrkammerprinzip aufgebaut sind. Dabei wird der Elektronenstrahl in einer separaten Strahlerzeugungskammer, und somit entkoppelt von dem thermischen Prozess, erzeugt. Dazu werden herkömmlicherweise massive scheibenförmige Kathoden verwendet, welche indirekt von ihrer Rückseite her geheizt werden. Zum indirekten Heizen wird eine hinter der Kathode angeordnete Heizwendel mittels eines elektrischen Stroms erwärmt, so dass diese Heizwendel Elektronen emittiert, welche auf die Kathode gelenkt werden und diese aufheizen. Solche Anordnungen erfordern eine separate Stromversorgung der Heizwendel und eine Stoßstromversorgung für das gerichtete Elektronenbombardement der Katode mit den Elektronen von der Heizwendel. Sie sind daher kostenintensiv in der Anschaffung und Fertigung. Ferner benötigt die indirekte Heizung zusätzlichen Bauraum, was die Anordnungen vergrößert. Anschaulich lässt sich bei Erzeugung einer hohen Strahlqualität mit indirekt beheizten Massivkathoden lediglich der obere Teil des erreichbaren Leistungsbereichs abdecken, weshalb manche Anwendungen weder mit Transversekanonen noch mit Axialkanonen bei optimaler Strahlqualität realisierbar sind. Alternatively, so-called axial cannons are used, which are constructed according to the multi-chamber principle. In this case, the electron beam is generated in a separate beam generating chamber, and thus decoupled from the thermal process. For this purpose, conventionally massive disc-shaped cathodes are used, which are indirectly heated from the rear side. For indirect heating, a heating coil arranged behind the cathode is heated by means of an electric current, so that this heating coil emits electrons which are directed onto the cathode and heat it up. Such arrangements require a separate power supply to the heating coil and a surge current supply for the directed electron bombardment of the cathode with the electrons from the heating coil. They are therefore expensive to purchase and manufacture. Furthermore, the indirect heating requires additional space, which increases the arrangements. Clearly, when generating a high beam quality with indirectly heated solid cathodes, only the upper part of the achievable power range can be covered, which is why some applications can not be realized with either transversal cannons or axial cannons with optimum beam quality.
Alternativ können Kathoden als Draht ausgebildet (Kathodendraht) sein, der zu einer Spirale oder einer Wendel gewickelt ist (Spiralkathode). Dadurch kann eine vergrößerte Elektronen-Außenfläche bereitgestellt werden, welche mehr Elektronen zur Strahlformierung emittieren kann. Spiralkathoden können direkt mittels eines elektrischen Stroms erwärmt werden, so dass diese weniger Bauraum benötigen. Allerdings lässt sich mit Spiralkathoden nur der untere Teil des benötigten Leistungsbereichs abdecken, weshalb manche Anwendungen für Spiralkathoden unzugänglich sind. Alternatively, cathodes may be formed as a wire (cathode wire) that is wound into a spiral or helix (spiral cathode). Thereby, an enlarged outer surface of the electron can be provided, which can emit more electrons for beam formation. Spiral cathodes can be heated directly by means of an electric current, so that they require less space. However, only the lower part of the required power range can be covered with spiral cathodes, which is why some applications for spiral cathodes are inaccessible.
Ebenso werden auch direkt beheizte Draht-Kathoden verwendet, zum Beispiel einfache Haarnadel-Kathoden, oder auch komplizierter geformte Kathoden, deren Form das Ziel hat, die Elektronen-Austrittsfläche zu vergrößern, allerdings häufig den Fertigungsaufwand erhöht. Diese Katoden haben im Gegensatz zu massiveren Kathoden eine geringere Lebensdauer hinsichtlich des Produkts aus Leistung und Betriebszeit, was deren Wirtschaftlichkeit im oberen Teil des Leistungsbereichs begrenzt. Similarly, directly heated wire cathodes are used, for example, simple hairpin cathodes, or more complicated shaped cathodes whose shape has the goal to increase the electron exit area, but often increases the production cost. These cathodes, unlike more massive cathodes, have a shorter lifetime in terms of product performance and uptime, limiting their economy in the upper part of the performance range.
Im Allgemeinen wird die Lebensdauer herkömmlicher Kathoden, direkt oder indirekt beheizt, aufgrund einer Bestrahlung der Kathode mit Ionen begrenzt, welche im Elektronenstrahlplasma gebildet und in dem elektrischen Feld der Kathode in deren Richtung beschleunigt werden. Anschaulich wird ein zur Kathode gerichteter lonenstrahl gebildet, welcher die Kathode nach und nach zerstäubt. Insbesondere sind davon die Elektronen-Austrittsflächen betroffen, welche aufrauen und abgetragen werden (bis zum Versagen der Katode) und dabei ihre Form sowie räumliche Emissionscharakteristik verändern. In general, the life of conventional cathodes, heated directly or indirectly, is limited due to irradiation of the cathode with ions which are formed in the electron beam plasma and accelerated in the cathode's electric field in their direction. Illustratively, an ion beam directed towards the cathode is formed, which atomises the cathode bit by bit. In particular, this affects the electron exit surfaces, which are roughened and ablated (until the cathode fails), thereby changing their shape and spatial emission characteristics.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird anschaulich ein Strahlerzeugungssystem (Elektronenstrahlquelle) bereitgestellt, welches einen vereinfachten Aufbau aufweist, der platzsparend und kostengünstig ist. Anschaulich weist dieses eine vereinfachte Geometrie auf, welche kostengünstig zu fertigen ist. Ferner kann durch deren Geometrie auf eine direkte Heizung der Kathode zurückgriffen werden, was den benötigten Bauraum verringert und somit Kosten spart. Beispielsweise kann eine separate Energieleitung für eine Heizvorrichtung eingespart werden. Optional ist die Kathode ebenso für eine indirekte Heizung geeignet, falls diese benötigt wird, so dass deren Flexibilität erhalten bleibt. According to various embodiments, a beam generating system (electron beam source) is illustratively provided, which has a simplified construction, which is space-saving and inexpensive. Illustratively, this has a simplified geometry, which is inexpensive to manufacture. Furthermore, can be used by the geometry of a direct heating of the cathode, which reduces the required space and thus saves costs. For example, a separate power line for a heater can be saved. Optionally, the cathode is also suitable for indirect heating, if needed, so that its flexibility is maintained.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird anschaulich eine Elektronenstrahlquelle bereitgestellt, welche eine erhöhte Lebensdauer aufweist. Anschaulich wird die Wechselwirkung der Kathode mit Ionen, die im Elektronenstrahlplasma gebildet werden, verringert. Somit kann die Zerstäubung der Kathode verringert werden, was deren Lebensdauer erhöht. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird optional ein Ionenabsorber bereitgestellt, welcher die Ionen auffängt nachdem diese den Bereich der Kathode passiert haben. According to various embodiments, an electron beam source having an increased lifetime is illustratively provided. Clearly, the interaction of the cathode with ions formed in the electron beam plasma is reduced. Thus, the sputtering of the cathode can be reduced, which increases its life. According to various embodiments, an ion absorber is optionally provided which captures the ions after they have passed the region of the cathode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird anschaulich eine Elektronenstrahlquelle bereitgestellt, welche eine präzise und zeitstabile Strahlcharakteristik ermöglicht. Anschaulich werden die Elektronen-Emissionsflächen (Emissionsflächen) der Kathode derart angeordnet, dass diese vor einer Bestrahlung durch Ionen zumindest teilweise geschützt sind. Damit kann der Abtrag der Emissionsflächen durch Zerstäubung wesentlich verringert und die Lebensdauer erhöht werden. According to various embodiments, an electron beam source is illustratively provided, which enables a precise and time-stable beam characteristic. Clearly, the electron emission surfaces (emission surfaces) of the cathode are arranged such that they are at least partially protected against irradiation by ions. Thus, the removal of the emission surfaces by atomization can be significantly reduced and the life can be increased.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Elektronenstrahlquelle bereitgestellt, welche in der Lage ist, sowohl den oberen Leistungsbereich als auch den unteren Leistungsbereich abzudecken. Beispielsweise kann die Elektronenstrahlquelle in einem Leistungsbereich zwischen ungefähr 5 kW und ungefähr 50 kW betrieben werden. Somit kann die Leistungslücke zwischen den Transverse-Kanonen und den Hochleistungs-Axialkanonen geschlossen werden, wodurch anschaulich mehr Anwendungen bedient werden können. According to various embodiments, there is provided an electron beam source capable of covering both the upper power range and the lower power range. For example, the electron beam source may be operated in a power range between about 5 kW and about 50 kW. Thus, the performance gap between the transverse guns and the high-performance axial cannons can be closed, which can clearly serve more applications.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde erkannt, dass der Verlauf der Elektronen-Trajektorien am Entstehungsort (z.B. in einem Hohlraum einer Hohlkathode) die Charakteristik des Elektronenstrahls, insbesondere die Stärke seiner Divergenz, beeinflusst. Anschaulich wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Elektronenstrahlquelle bereitgestellt, welche einen gut fokussierten Elektronenstrahl ermöglicht. Die Elektronenstrahlquelle kann beispielsweise ein direkt beheiztes rohr- bzw. ringförmiges Strahlerzeugungssystem (z.B. die Kathode) aufweisen. According to various embodiments, it has been recognized that the course of the electron trajectories at the point of origin (for example, in a cavity of a hollow cathode) influences the characteristics of the electron beam, in particular the intensity of its divergence. Illustratively, according to various embodiments, an electron beam source is provided which enables a well-focused electron beam. For example, the electron beam source may include a directly heated tubular radiation generating system (e.g., the cathode).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathode und eine Anode, welche eine Strahlachse definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse; die Kathode kann aufweisen: einen Hohlraum, welcher sich entlang der Strahlachse in die Kathode hinein oder durch diese hindurch erstreckt (d.h. diese durchdringt); eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) zum Emittieren von Elektronen in den Hohlraum hinein, wobei die Emissionsfläche den Hohlraum quer zur Strahlachse begrenzt; und einen Elektronenverdränger, welcher sich entlang der Strahlachse in den Hohlraum hinein und/oder durch diesen hindurch erstreckt. Der Elektronenverdränger kann sich beispielsweise nur zu einem Teil hinein, vollständig hinein oder durch den Hohlraum hindurch erstrecken. According to various embodiments, an electron beam source may include: a cathode and an anode defining a beam axis for generating an electron beam along the beam axis; the cathode may comprise: a cavity which extends into (or penetrates) the cathode along or through the beam axis; an emission surface (e.g., primary emission surface, e.g., glow emission surface) for emitting electrons into the cavity, the emission surface defining the cavity transverse to the beam axis; and an electron displacer extending into and / or through the cavity along the beam axis. For example, the electron displacer may extend only in part, completely into, or through the cavity.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Lagervorrichtung, mittels welcher der Elektronenverdränger gelagert ist, wobei die Lagervorrichtung dem Elektronenverdränger einen Translationsgrad (z.B. entlang der Strahlachse) bereitstellt gemäß dem der Elektronenverdränger verschiebbar ist. According to various embodiments, the electron beam source may further comprise: a bearing device by means of which the electron displacer is supported, wherein the bearing device provides the electron displacer with a degree of translation (e.g., along the beam axis) according to which the electron displacer is displaceable.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Strecke, gemäß welcher der Elektronenverdränger verschiebbar ist, größer sein als die Erstreckung des Hohlraums entlang der Strahlachse. According to various embodiments, a distance according to which the electron displacer is displaceable may be greater than the extent of the cavity along the beam axis.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Stellvorrichtung, mittels welcher eine Lage des Elektronenverdrängers relativ zu der Emissionsfläche stellbar ist. According to various embodiments, the electron beam source may further comprise: an adjusting device, by means of which a position of the electron displacer relative to the emission surface is adjustable.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger einen Stab, eine Nadel, ein Dorn und/oder ein Rohr aufweisen, welche entlang der Strahlachse längserstreckt sind. According to various embodiments, the electron displacer may comprise a rod, a needle, a mandrel, and / or a tube, which are elongated along the beam axis.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche den Elektronenverdränger und/oder den Hohlraum zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) umgeben. According to various embodiments, the emission surface may at least partially (i.e., partially or completely) surround the electron displacer and / or the cavity.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine elektrische Abschirmung, welche die Kathode zum elektrischen Begrenzen der Emissionsfläche umgibt. According to various embodiments, the electron beam source may further comprise: an electrical shield surrounding the cathode for electrically confining the emission surface.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Kopplungsstruktur, welche den Elektronenverdränger und die Emissionsfläche elektrisch miteinander koppelt (z.B. elektrisch leitfähig miteinander koppelt, z.B. derart, dass dem Elektronenverdränger und der Emissionsfläche im Wesentlichen dasselbe elektrische Potential bereitgestellt ist). According to various embodiments, the electron beam source may further include: a coupling structure electrically connecting the electron displacer and the emitting surface coupled to each other (eg, electrically conductive coupled to each other, for example, such that the electron displacer and the emission surface substantially the same electrical potential is provided).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kopplungsstruktur ferner den Elektronenverdränger und die Emissionsfläche thermisch voneinander entkoppeln und/oder dem Elektronenverdränger eine kleinere Betriebstemperatur und/oder größere Wärmeverlustleistung (beispielsweise entzogene Wärmeenergie pro Zeit) bereitstellen als der Emissionsfläche. Damit kann erreicht werden, dass der Elektronenverdränger kälter ist als die Emissionsfläche, z.B. der Elektronenverdränger eine Temperatur aufweisend, welche unterhalb der Emissionstemperatur (d.h. der Temperatur, welche zur Überwindung der Austrittarbeit benötigt wird) liegt. Anschaulich kann die Kopplungsstruktur dem Elektronenverdränger mehr Wärmeleistung entziehen als der Emissionsfläche. According to various embodiments, the coupling structure may further thermally decouple the electron displacer and the emitting surface from each other and / or provide the electron displacer with a lower operating temperature and / or greater heat dissipation power (eg, extracted heat energy per time) than the emitting surface. It can thus be achieved that the electron displacer is colder than the emission surface, e.g. the electron displacer has a temperature which is below the emission temperature (i.e., the temperature needed to overcome the work function). Clearly, the coupling structure can extract more heat output from the electron displacer than the emission surface.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger eine größere Austrittsarbeit aufweisen als die Emissionsfläche. According to various embodiments, the electron displacer may have a larger work function than the emission surface.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können der Elektronenverdränger und die Emissionsfläche mittels der Kopplungsstruktur thermisch derart voneinander entkoppelt sein, dass sich die aufgrund der Wärmebilanz (Differenz aus zugeführter und entzogener Wärmeenergie) am einstellende Temperatur (Betriebstemperatur) desselben eine geringe Elektronenemission des Elektronenverdrängers bewirkt (z.B. mit zu vernachlässigender Emissionsstromdichte), z.B. geringer als die Elektronenemission der Emissionsfläche. According to various embodiments, the electron displacer and the emission surface may be thermally decoupled from each other by means of the coupling structure such that the low temperature due to the heat balance (difference between supplied and withdrawn heat energy) at the adjusting temperature (operating temperature) causes a low electron emission of the electron displacer (eg negligible) Emission current density), eg less than the electron emission of the emission surface.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Strahlbündelungselektrode, welche zwischen der Emissionsfläche und der Anode angeordnet ist und entlang der Strahlachse von einer Durchgangsöffnung durchdrungen ist. According to various embodiments, the electron beam source may further comprise: a beam focusing electrode disposed between the emitting surface and the anode and penetrated along the beam axis by a through hole.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger ferner aufweisen: eine Opferstruktur zum Absorbieren von in dem Elektronenstrahl gebildeten Ionen, welche zumindest teilweise in Richtung der Anode freigelegt ist. According to various embodiments, the electron displacer may further comprise: a sacrificial structure for absorbing ions formed in the electron beam which is at least partially exposed toward the anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger die Opferstruktur oder eine Durchgangsöffnung entlang der Strahlachse, welche die Opferstruktur freilegt, aufweisen. According to various embodiments, the electron displacer may include the sacrificial structure or a via opening along the beam axis exposing the sacrificial structure.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Heizvorrichtung, welche eingerichtet ist, der Emissionsfläche thermische Energie zuzuführen, zum Heizen der Emissionsfläche. Die Heizvorrichtung kann der Emissionsfläche mehr thermische Energie pro Flächeninhalt (der Emissionsfläche) zuführen als die Emissionsfläche dem Elektronenverdränger (d.h. bezogen auf dessen Oberfläche), z.B. kann die Wärmestromdichte zu der Emissionsfläche größer sein als die Wärmestromdichte zu dem Elektronenverdränger. According to various embodiments, the electron beam source may further include: a heater configured to supply thermal energy to the emission surface for heating the emission surface. The heater may deliver more thermal energy per unit area (the emission area) to the emission area than the emission area to the electron displacer (i.e., relative to its surface), e.g. For example, the heat flux density to the emission surface may be greater than the heat flux density to the electron displacer.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche entlang der Strahlachse eine Ausdehnung aufweisen; wobei der Elektronenverdränger entlang der Strahlachse um eine Strecke in den Hohlraum hinein erstreckt oder verschiebbar ist, welche größer ist als ungefähr die Hälfte der Ausdehnung, z.B. größer als ungefähr 75% der Ausdehnung, z.B. größer als die Ausdehnung. According to various embodiments, the emission surface may have an extension along the beam axis; wherein the electron displacer extends or is displaceable along the beam axis a distance into the cavity which is greater than approximately one-half of the extent, e.g. greater than about 75% of the extent, e.g. bigger than the extension.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Elektronenverdränger entlang der Strahlachse durch den Hohlraum hindurch erstrecken, z.B. aus diesem hervorstehend. According to various embodiments, the electron displacer may extend along the beam axis through the cavity, e.g. protruding from this.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenkanone Folgendes aufweisen: die oder eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen, eine Vakuumkammer, in welcher die Elektronenstrahlquelle angeordnet ist und welche entlang der Strahlachse von einer Öffnung durchdrungen ist, so dass der Elektronenstrahl aus der Vakuumkammer durch die Öffnung hindurch austreten kann; und eine Ablenkanordnung zum Ablenken des aus der Vakuumkammer austretenden Elektronenstrahls gemäß einem oder mehreren Ablenkparametern. According to various embodiments, an electron gun may include: the or an electron beam source according to various embodiments, a vacuum chamber in which the electron beam source is disposed and which is penetrated along the beam axis by an aperture so that the electron beam can exit the vacuum chamber through the aperture ; and a deflection assembly for deflecting the electron beam exiting the vacuum chamber according to one or more deflection parameters.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: eine Prozessierkammer, welche einen Prozessierbereich aufweist; und die oder eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen zum Bestrahlen des Prozessierbereichs mittels eines Elektronenstrahls. According to various embodiments, a processing arrangement may include: a processing chamber having a processing area; and the or an electron beam source according to various embodiments for irradiating the processing region by means of an electron beam.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Hohlraumkathode und eine Anode zum Erzeugen eines Elektronenstrahls; einen Elektronenverdränger, welcher innerhalb der Hohlraumkathode angeordnet ist und/oder in diese hinein verschiebbar gelagert ist. According to various embodiments, an electron beam source may include: a cavity cathode and an anode for generating an electron beam; an electron displacer, which is disposed within the cavity cathode and / or slidably mounted therein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren (z.B. zum Führen von Elektronen, z.B. zum Bilden eines Elektronenstrahls entlang einer Strahlachse) aufweisen: Emittieren von Elektronen in einen Hohlraum hinein aus einer Richtung, welche quer zur Strahlachse ist; und Verdrängen der Elektronen aus einem inneren Bereich des Hohlraums, durch welchen die Strahlachse hindurch verläuft. According to various embodiments, a method (eg, for guiding electrons, eg, to form an electron beam along a beam axis) may include: emitting electrons into a cavity from a direction that is transverse to the beam axis; and displacing the electrons from an interior region of the cavity through which the beam axis passes.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren (z.B. zum Führen von Elektronen, z.B. zum Bilden eines Elektronenstrahls entlang einer Strahlachse) aufweisen: Emittieren von Elektronen aus einer ersten Richtung in einen Hohlraum hinein; Beschleunigen der Elektronen aus dem Hohlraum heraus in eine zweite Richtung, welche in einem Winkel (z.B. quer) zur ersten Richtung ist, so dass diese gekrümmte Trajektorien aufweisen; und Verdrängen der Trajektorien aus einem inneren Bereich (z.B. einem Kernbereich) des Hohlraums. According to various embodiments, a method (e.g., for guiding electrons, e.g., to form an electron beam along a beam axis) may include: emitting electrons from a first direction into a cavity; Accelerating the electrons out of the cavity in a second direction which is at an angle (e.g., transverse) to the first direction to have curved trajectories; and displacing the trajectories from an interior area (e.g., a core area) of the cavity.
Der Kernbereich kann anschaulich im Zentrum des Hohlraums angeordnet sein, d.h. von seiner äußeren Begrenzung (z.B. der Emissionsfläche) einen im Wesentlichen radial gleichen Abstand aufweisen (z.B. konzentrisch liegend). Alternativ oder zusätzlich kann der Kernbereich zylinderförmig oder Kongruent zur Form des Hohlraums sein. The core region may be illustratively located in the center of the cavity, i. from its outer boundary (e.g., the emission surface) have a substantially radially equidistant spacing (e.g., concentric). Alternatively or additionally, the core region may be cylindrical or congruent with the shape of the cavity.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich die Strahlachse durch den Kernbereich hindurch erstrecken. According to various embodiments, the beam axis may extend through the core region.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle eine Steuerung aufweisen, welche eingerichtet ist, die Lage des Elektronenverdrängers relativ zu der Emissionsfläche und/oder den Potentialunterschied zwischen der Emissionsfläche und dem Elektronenverdränger zu steuern und/oder zu regeln, z.B. auf Grundlage einer Benutzereingabe oder eines Messwerts. Der Messwert kann beispielsweise eine Charakteristik des Elektronenstrahls repräsentieren, z.B. dessen Leistung und/oder dessen Konvergenz. According to various embodiments, the electron beam source may include a controller configured to control and / or regulate the position of the electron displacer relative to the emission surface and / or the potential difference between the emission surface and the electron displacer, e.g. based on a user input or a metric. The measured value may represent, for example, a characteristic of the electron beam, e.g. its performance and / or its convergence.
Je kleiner im Betrieb der Elektronenstrahlquelle ein Potentialunterschied zwischen der Emissionsfläche und dem Elektronenverdränger ist, desto kleiner kann die Ausbeute an Elektronen im Elektronenstrahl sein und/oder desto kleiner kann die Divergenz des Elektronenstrahls sein (anschaulich kann dieser dann stärker gebündelt sein). The smaller a potential difference between the emission surface and the electron displacer during operation of the electron beam source, the smaller the yield of electrons in the electron beam can be and / or the smaller the electron beam divergence can be (this can clearly be more focused).
Je weiter sich der Elektronenverdränger in den Hohlraum hinein erstreckt, desto kleiner kann die Ausbeute an Elektronen im Elektronenstrahl sein und/oder desto kleiner kann die Divergenz des Elektronenstrahls sein (anschaulich kann dieser dann stärker gebündelt sein). The further the electron displacer extends into the cavity, the smaller the yield of electrons in the electron beam can be and / or the smaller the divergence of the electron beam can be (it can clearly be bundled more strongly).
Das Bündeln des Elektronenstrahls mittels des Elektronenverdrängers kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Wirkung der Strahlbündelungselektrode überlagert sein oder werden oder alternativ zu dieser verwendet werden. The bundling of the electron beam by means of the electron displacer may, according to various embodiments, be superposed on or alternatively be used for the effect of the beam focusing electrode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Bilden eines Elektronenstrahls aufweisen: Führen von Elektronen entlang gekrümmter Trajektorien durch den Hohlraum hindurch aus einer ersten Richtung, welche quer zur Strahlachse ist, in eine zweite Richtung, welche entlang der Strahlachse ist. According to various embodiments, forming an electron beam may include: guiding electrons along curved trajectories through the cavity from a first direction that is transverse to the beam axis in a second direction that is along the beam axis.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der innere Bereich die Strahlachse umgeben und/oder mittig in dem Hohlraum angeordnet sein, z.B. entlang der Strahlachse erstreckt. According to various embodiments, the inner region may surround the beam axis and / or be centered in the cavity, e.g. extends along the beam axis.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein (z.B. nachgeführter) Elektronenverdränger in einer Hohlraumkathode verwendet werden. According to various embodiments, a (e.g., tracked) electron displacer may be used in a cavity cathode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein (z.B. nachgeführter) Festkörper (z.B. ein Stab oder ein Rohr) in einer Hohlraumkathode (z.B. deren Hohlraum) verwendet werden zum zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) Abschirmen der Strahlachse vor Elektronen. According to various embodiments, a solid (e.g., tracked) solid (e.g., rod or tube) in a cavity cathode (e.g., its cavity) can be used to at least partially (i.e., partially or completely) shield the beam axis from electrons.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathode und eine Anode, welche eine Strahlachse definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse; die Kathode aufweisend: einen Hohlraum, welcher die Kathode entlang der Strahlachse durchdringt; eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) zum Emittieren von Elektronen in den Hohlraum, wobei die Emissionsfläche den Hohlraum quer zur Strahlachse (teilweise oder vollständig) begrenzt; und eine Stirnfläche, welche der Anode zugewandt ist; wobei die Emissionsfläche größer ist als die Stirnfläche. According to various embodiments, an electron beam source may include: a cathode and an anode defining a beam axis for generating an electron beam along the beam axis; the cathode comprising: a cavity penetrating the cathode along the beam axis; an emission surface (e.g., primary emission surface, e.g., glow emission surface) for emitting electrons into the cavity, the emission surface defining the cavity transverse to the beam axis (partially or completely); and an end surface facing the anode; wherein the emission surface is larger than the end face.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stirnfläche an die Emissionsfläche und/oder an den Hohlraum angrenzen. According to various embodiments, the end face may adjoin the emission surface and / or the cavity.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche zwischen der Stirnfläche und dem Hohlraum angeordnet sein. According to various embodiments, the emission surface may be arranged between the end face and the cavity.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stirnfläche zwischen der Emissionsfläche und der Anode angeordnet sein. According to various embodiments, the end face may be arranged between the emission surface and the anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Emissionsfläche und der Hohlraum in Richtung der Strahlachse gleich weit erstreckt sein. According to various embodiments, the emission surface and the cavity may be equally extended in the direction of the beam axis.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche zwischen der Stirnfläche und einer der Stirnfläche gegenüberliegenden Oberfläche der Kathode angeordnet sein, und sich beispielsweise von der Stirnfläche bis zu der der Stirnfläche gegenüberliegenden Oberfläche der Kathode erstrecken. According to various embodiments, the emission surface may be disposed between the end surface and a surface of the cathode opposite the end surface, and may extend, for example, from the end surface to the surface opposite the end surface of the cathode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich die Stirnfläche mit einer ersten Richtungskomponente quer zu der Strahlachse erstrecken und mit einer zweiten Richtungskomponente entlang der Strahlachse erstrecken, wobei die erste Richtungskomponente größer ist als die zweite Richtungskomponente. Mit anderen Worten kann die Stirnfläche der Anode zugewandt sein. According to various embodiments, the end face may extend with a first directional component transverse to the beam axis and extend with a second directional component along the beam axis, wherein the first directional component is greater than the second directional component. In other words, the end face may face the anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich die Emissionsfläche mit einer ersten Richtungskomponente quer zu der Strahlachse erstrecken und mit einer zweiten Richtungskomponente entlang der Strahlachse erstrecken, wobei die erste Richtungskomponente kleiner ist als die zweite Richtungskomponente. Mit anderen Worten kann die Emissionsfläche der Strahlachse zugewandt sein. According to various embodiments, the emission surface may extend with a first directional component across the beam axis and with a second directional component along the beam axis, wherein the first directional component is smaller than the second directional component. In other words, the emission surface may face the beam axis.
Anschaulich wurde erkannt, dass sich die Zerstäubung einer herkömmlichen Kathode, bei der hauptsächlich die der Anode zugewandte Oberfläche (Stirnfläche) Elektronen emittiert, nicht wirkungsvoll reduzieren lässt, ohne Einbußen in der Leistungsfähigkeit der Kathode hinnehmen zu müssen. Anders ausgedrückt, benötigt eine herkömmliche Kathode eine gewisse Größe der Stirnfläche, um die benötigte Menge an Elektronen zu emittieren. Im Gegensatz zur herkömmlichen Kathode, bei der die Stirnfläche zum Emittieren von Elektronen daher anschaulich möglichst groß gewählt wird, weist eine Kathode gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine möglichst kleine Stirnfläche auf. Dadurch wird die Oberfläche reduziert, auf welche die Ionen auftreffen können, so dass anschaulich möglichst wenig Kathodenmaterial abgetragen wird. In dem Bereich, in dem der Ionenstrom am stärksten ist, weist die Kathode einen Hohlraum auf, durch welchen die Ionen hindurch gelangen können, ohne mit der Oberfläche, welche den Hohlraum begrenzt, zu wechselwirken. Diese Oberfläche lässt sich gemäß verschiedenen Ausführungsformen als elektronenemittierende Oberfläche (Emissionsfläche) verwenden, so dass die reduzierte Elektronenemission der Stirnfläche ausgeglichen wird. Damit wird eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) mit hoher Lebensdauer bereitgestellt, welche anschaulich einen ausreichend großen Elektronenstrom zum Erreichen großer Leistungen bereitstellen kann. Clearly, it was recognized that the sputtering of a conventional cathode, in which mainly the anode-facing surface (front surface) emits electrons, can not effectively reduce without having to accept losses in the performance of the cathode. In other words, a conventional cathode requires a certain size of the end face to emit the required amount of electrons. In contrast to the conventional cathode, in which the end face for emitting electrons is therefore clearly chosen to be as large as possible, according to various embodiments, a cathode has the smallest possible end face. As a result, the surface is reduced, to which the ions can impinge, so that clearly as little as possible cathode material is removed. In the region where the ionic current is strongest, the cathode has a cavity through which the ions can pass without interacting with the surface defining the cavity. This surface can be used according to various embodiments as an electron-emitting surface (emission surface), so that the reduced electron emission of the end face is compensated. This provides an emission area (e.g., primary emission area, e.g., glow emission area) with a long lifetime, which can viably provide a large enough electron current to achieve high performance.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum, sich von einer ersten der Anode zugewandten Oberfläche der Kathode (Stirnfläche) zu einer zweiten der Anode abgewandten Oberfläche der Kathode erstrecken. According to various embodiments, the cavity may extend from a first anode-facing surface of the cathode (end face) to a second anode-facing surface of the cathode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche zwei Emissionsflächenabschnitte aufweisen, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums angeordnet sind und jeweils eine Haupt-Emissionsrichtung definieren, mit welcher diese Elektronen in den Hohlraum emittieren, wobei die Haupt-Emissionsrichtungen der zwei Emissionsflächen einen Winkel zueinander und/oder zur Strahlachse aufweisen. According to various embodiments, the emission surface may have two emission surface portions disposed on opposite sides of the cavity and each defining a main emission direction with which these emit electrons into the cavity, wherein the main emission directions of the two emission surfaces at an angle to each other and / or Beam axis have.
Die Haupt-Emissionsrichtung kann eine Richtung bezeichnen, entlang welcher sich die von der Emissionsfläche emittierten Elektronen im Mittel (d.h. der Schwerpunkt der Elektronen) im zeitlichen Verlauf in den Hohlraum hinein bewegen. Der Schwerpunkt der Elektronen (z.B. einer Vielzahl von Elektronen oder einer räumlichen Verteilung von Elektronen) kann als ein mit der Masse der Elektronen gewichtetes Mittel der Positionen der Elektronen beschreiben. Im Hohlraum können die Elektronen dann durch ein elektrisches Potential zwischen Kathode und Anode abgelenkt und in Richtung der Anode geführt werden. The main emission direction may indicate a direction along which the electrons emitted from the emission surface move in the middle (i.e., the center of gravity of the electrons) into the cavity with time. The center of gravity of the electrons (e.g., a plurality of electrons or a spatial distribution of electrons) may be described as an electron weighted average of the positions of the electrons. In the cavity, the electrons can then be deflected by an electrical potential between the cathode and anode and guided in the direction of the anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Haupt-Emissionsrichtung im Wesentlichen senkrecht (z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±5°, z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±2°, z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±1°) zu einem Flächenabschnitt der Emissionsfläche (Emissionsflächenabschnitt) verlaufen. Ist der Flächenabschnitt gekrümmt, kann die Haupt-Emissionsrichtung im Wesentlichen der über den gekrümmten Flächenabschnitt gemittelten Flächennormale (z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±5°, z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±2°, z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±1°) entsprechen. According to various embodiments, the main emission direction may be substantially perpendicular (eg with a tolerance of less than ± 5 °, eg with a tolerance of less than ± 2 °, eg with a tolerance of less than ± 1 °) to a surface portion of the emission surface (Emission area section) run. If the surface section is curved, the main emission direction can essentially be the surface normal averaged over the curved surface section (eg with a tolerance of less than ± 5 °, eg with a tolerance of less than ± 2 °, eg with a tolerance of less than ± 1 °).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Winkel (Haupt-Emissionswinkel) jeder der zwei Haupt-Emissionsrichtungen jeweils zur Strahlachse kleiner als oder gleich zu ungefähr 90° sein, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 85°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 80°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 75°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 70°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 65°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 60°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 55°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 50° und/oder z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 20° sein, z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 30°, z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 40°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 45° bis ungefähr 90°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 60° bis ungefähr 90°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 60° bis ungefähr 80°. According to various embodiments, the angle (main emission angle) of each of the two main emission directions to the beam axis may be less than or equal to about 90 °, e.g. less than or equal to about 85 °, e.g. less than or equal to about 80 °, e.g. less than or equal to about 75 °, e.g. less than or equal to about 70 °, e.g. less than or equal to about 65 °, e.g. less than or equal to about 60 °, e.g. less than or equal to about 55 °, e.g. less than or equal to about 50 ° and / or e.g. greater than or equal to about 20 °, e.g. greater than or equal to about 30 °, e.g. greater than or equal to about 40 °, e.g. in a range of about to about 45 ° to about 90 °, e.g. in a range of about to about 60 ° to about 90 °, e.g. in a range of about to about 60 ° to about 80 °.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Winkel (Richtung-Winkel) der zwei Haupt-Emissionsrichtungen zueinander der Summe der zwei Haupt-Emissionswinkel entsprechen, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 180° sein, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 170°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 160°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 150°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 140°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 130°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 120°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 110°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 100° und/oder größer als oder gleich zu ungefähr 40° sein, z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 60°, z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 80°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 90° bis ungefähr 180°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 120° bis ungefähr 180°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 120° bis ungefähr 160°. According to various embodiments, the angle (direction-angle) of the two main emission directions may correspond to the sum of the two main emission angles, eg less than or equal to approximately 180 °, eg less than or equal to approximately 170 °, eg less than or equal to about 160 °, eg less than or equal to about 150 °, eg less than or equal to about 140 °, eg less than or equal to about 130 °, eg less than or equal to about 120 °, eg less than or equal to about 110 °, eg less than or equal to about 100 ° and / or greater than or equal to about 40 °, eg greater than or equal to about 60 °, eg greater than or equal to about 80 °, eg in a range of about to about 90 ° to about 180 °, eg in a range of about to about 120 ° to about 180 °, eg in one range from about to about 120 ° to about 160 °.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Querschnittsfläche des Hohlraums quer zur Strahlachse in Richtung der Anode hin zunehmend ausgebildet sein. Dann kann die Hauptemissionsrichtung eine Richtungskomponente zur Anode hin gerichtet aufweisen (der Haupt-Emissionswinkel kann dann kleiner als 90° sein und z.B. von der Anode weg gerichtet sein). According to various embodiments, a cross-sectional area of the cavity may be increasingly formed transversely to the beam axis in the direction of the anode. Then, the main emission direction may have a directional component directed toward the anode (the major emission angle may then be less than 90 ° and directed away from the anode, for example).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Querschnittsfläche des Hohlraums quer zur Strahlachse in Richtung der Anode hin gleichbleibend oder abnehmend ausgebildet sein. Bei abnehmender Querschnittsfläche kann die Hauptemissionsrichtung eine Richtungskomponente von der Anode weg gerichtet aufweisen (der Haupt-Emissionswinkel kann dann kleiner als 90° sein und z.B. zu der Anode hin gerichtet sein). Bei gleichbleibender Querschnittsfläche kann die Hauptemissionsrichtung quer zur Strahlachse verlaufen. According to various embodiments, a cross-sectional area of the cavity may be formed to be constant or decreasing transversely to the beam axis in the direction of the anode. As the cross-sectional area decreases, the main emission direction may have a directional component directed away from the anode (the major emission angle may then be less than 90 ° and, for example, directed toward the anode). With a constant cross-sectional area, the main emission direction can run transversely to the beam axis.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche einen Emissionsbereich in dem Hohlraum definiert zum Versorgen des Elektronenstrahls mit Elektronen aus dem Emissionsbereich. Die Emissionsfläche kann zum Versorgen genau des in dem Hohlraum angeordneten Emissionsbereichs eingerichtet sein. Beispielsweise können im Wesentlichen keine Elektronen außerhalb des Hohlraums emittiert werden, welche zu Strahlbildung beitragen. Anschaulich kann die Kathode derart eingerichtet sein, dass die Elektronen, aus welchen der Elektronenstrahl gebildet wird, im Wesentlichen aus dem Hohlraum stammen. Somit lässt sich ein präziser Elektronenstrahl erzeugen. Tendiert die Kathode im Gesamten zur Emission von Elektronen, können außerhalb des Hohlraums ein oder mehrere Abschirmelemente angeordnet sein, welche die Emission von Elektronen außerhalb des Hohlraums reduzieren oder im Wesentlichen eliminieren. Beispielsweise können die einen oder mehreren Abschirmelemente auf einem Potential liegen, welches die Emission von Elektronen in Richtung der einen oder mehreren Abschirmelemente erschwert, oder bereits emittierte Elektronen zurück in Richtung Kathode drängt, so dass diese wieder von der Kathode aufgenommen werden. According to various embodiments, the emission surface may define an emission region in the cavity for supplying the electron beam with electrons from the emission region. The emission surface may be arranged to supply exactly the emission region arranged in the cavity. For example, substantially no electrons can be emitted outside the cavity which contribute to beam formation. Illustratively, the cathode may be configured such that the electrons from which the electron beam is formed originate substantially from the cavity. Thus, a precise electron beam can be generated. When the cathode as a whole tends to emit electrons, one or more shielding elements may be arranged outside the cavity which reduce or substantially eliminate the emission of electrons outside the cavity. For example, the one or more shielding elements can be at a potential which impedes the emission of electrons in the direction of the one or more shielding elements, or pushes already emitted electrons back towards the cathode, so that they are picked up again by the cathode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche den Hohlraum zumindest teilweise umgeben. Beispielsweise kann die Emissionsfläche eine zusammenhängende Fläche sein, welche den Hohlraum umgibt. Alternativ kann die Kathode von einer Öffnungsstruktur durchdrungen sein, welche die Emissionsfläche unterbricht und/oder segmentiert. Jedes Segment kann beispielsweise zumindest einen Flächenabschnitt der Emissionsfläche aufweisen oder daraus gebildet sein. Ist die Emissionsfläche zusammenhängend (nicht segmentiert) ausgebildet, können zumindest zwei Flächenabschnitte der Emissionsfläche aneinandergrenzen. According to various embodiments, the emission surface may at least partially surround the cavity. For example, the emission surface may be a contiguous surface surrounding the cavity. Alternatively, the cathode may be penetrated by an aperture structure which interrupts and / or segments the emitting surface. Each segment may for example have at least one surface section of the emission surface or be formed therefrom. If the emission surface is contiguous (not segmented), at least two surface sections of the emission surface can adjoin one another.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner eine elektrische Abschirmung (erstes Abschirmelement) aufweisen, welche die Kathodenanordnung zum elektrischen Begrenzen der Emissionsfläche umgibt. Anschaulich kann die elektrische Abschirmung derart eingerichtet sein, dass die aktive Fläche der Kathode, welche Elektronen emittiert (Emissionsfläche), an den Hohlraum angrenzt. Somit kann erreicht werden, dass Elektronen im Wesentlichen nur in den Hohlraum emittiert werden. According to various embodiments, the electron beam source may further comprise an electrical shield (first shield member) surrounding the cathode assembly for electrically limiting the emission surface. Illustratively, the electrical shielding can be configured such that the active area of the cathode, which emits electrons (emission area), adjoins the cavity. Thus, it can be achieved that electrons are emitted substantially only in the cavity.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner eine Strahlbündelungselektrode aufweisen, welche zwischen der Emissionsfläche und der Anode angeordnet ist und entlang der Strahlachse von einer Durchgangsöffnung durchdrungen ist. According to various embodiments, the electron beam source may further comprise a beam focusing electrode disposed between the emitting surface and the anode and penetrated along the beam axis by a through hole.
Die Strahlbündelungselektrode kann ein Einengen (Einschnüren) des elektrischen Potentials (Potentialeinschnürung) zwischen der Kathode und der Anode im Betrieb der Elektronenstrahlquelle bewirken. Damit kann erreicht werden, dass aus dem Hohlraum in Richtung der Anode beschleunigte Elektronen zu einem Strahl gebündelt werden. Beispielsweise kann die Elektronenstrahlquelle eine Steuerung aufweisen, welche der Strahlbündelungselektrode ein elektrisches Potential derart bereitstellt, dass aus dem Hohlraum in Richtung der Anode beschleunigte Elektronen zu einem Strahl gebündelt werden. The beam focusing electrode may cause a narrowing (necking) of the electrical potential (potential constriction) between the cathode and the anode during operation of the electron beam source. It can thus be achieved that accelerated electrons are bundled into a beam from the cavity in the direction of the anode. By way of example, the electron beam source may have a control which provides the beam-focusing electrode with an electrical potential such that electrons accelerated out of the cavity in the direction of the anode are bundled into a beam.
Die Potenzialverhältnisse (z.B. die Potenzialeinschnürung) ermöglichen beispielsweise, dass die Durchgangsöffnung der Strahlbündelungselektrode (auch als Strahlbündelungskatode bezeichnet) eine größere Ausdehnung (quer zur Strahlachse, z.B. Durchmesser) als der Hohlraum der Katode aufweisen kann. For example, the potential ratios (e.g., potential contraction) allow the beam bundling electrode through-hole (also referred to as a beam-bundling cathode) to have a greater extent (transverse to the beam axis, e.g., diameter) than the cathode cavity.
Die Strahlbündelungselektrode kann zwischen der Stirnfläche (der Kathode) und der Anode erstreckt sein. The beam-splitting electrode may be extended between the end face (the cathode) and the anode.
Die Strahlbündelungselektrode kann optional ebenfalls zum elektrischen Begrenzen der Emissionsfläche eingerichtet sein, z.B. derart, dass die Stirnfläche im Wesentlichen keine Elektronen emittiert, wobei die Strahlbündelungselektrode auch als zweites Abschirmelement bezeichnet werden kann. Optionally, the beam-focusing electrode may also be used to electrically limit the Be set up emission surface, for example, such that the end surface emits substantially no electrons, wherein the beam-bundling electrode can also be referred to as a second shielding.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerung eingerichtet sein, dem einen oder den mehreren Abschirmelementen (z.B. der Strahlbündelungselektrode und/oder der Abschirmung) ein elektrisches Potential derart bereitzustellen, dass die Emissionsfläche im Wesentlichen auf die Flächenabschnitte der Kathode begrenzt wird, welche an den Hohlraum angrenzen. According to various embodiments, the controller may be configured to provide an electrical potential to the one or more shield members (e.g., the beam-bundling electrode and / or the shield) such that the emission surface is substantially confined to the surface portions of the cathode adjacent the cavity.
Die Steuerung kann ein elektrisches Abschirmpotential an dem einen oder den mehreren Abschirmelementen bereitstellen, welches eine Emission von Elektronen in Richtung der einen oder mehreren Abschirmelemente unterdrückt. Die Steuerung kann eingerichtet sein, einen elektrischen Potentialunterschied (elektrische Abschirmspannung) zwischen dem einen oder den mehreren Abschirmelementen (d.h. dem elektrischen Abschirmpotential) und der Kathode (d.h. dem elektrischen Kathodenpotential) bereitzustellen in einem Bereich von ungefähr 1 V bis ungefähr 50 V, z.B. in einem Bereich von ungefähr 2 V bis ungefähr 20 V, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 V bis ungefähr 10 V. The controller may provide an electrical shielding potential to the one or more shielding elements that suppresses emission of electrons toward the one or more shielding elements. The controller may be configured to provide an electrical potential difference (electrical shielding voltage) between the one or more shielding elements (i.e., the electrical shield potential) and the cathode (i.e., the cathode electric potential) in a range of about 1 V to about 50 V, e.g. in a range from about 2V to about 20V, e.g. in a range of about 5V to about 10V.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner eine Opferstruktur aufweisen zum Absorbieren von in dem Elektronenstrahl gebildeten Ionen, welche z.B. auf einer der Anode gegenüberliegenden Seite des Hohlraums angeordnet ist und zumindest teilweise in Richtung der Anode freigelegt ist. Anschaulich kann der Strom an Ionen (Ionenstrom) die Emissionsfläche im Wesentlichen passieren und durch den Hohlraum hindurch geleitet werden. Dort kann der lonenstrom mittels der Opferstruktur absorbiert werden, so dass die Ionen aus dem Wirkungsbereich der Kathode entfernt werden. According to various embodiments, the electron beam source may further comprise a sacrificial structure for absorbing ions formed in the electron beam, e.g. is arranged on a side of the cavity opposite the anode and is at least partially exposed in the direction of the anode. Clearly, the stream of ions (ionic current) can essentially pass the emission surface and be passed through the cavity. There, the ion current can be absorbed by means of the sacrificial structure, so that the ions are removed from the effective range of the cathode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zwischen der Opferstruktur und der Katode ein Freiraum (d.h. ein Raum frei von einem Feststoff) angeordnet sein oder werden, welcher z.B. einen Querschnitt quer zur Strahlachse von gleich zu dem ober mehr als der Hohlraum aufweist. According to various embodiments, a clearance (i.e., a space free of a solid) may or may not be disposed between the sacrificial structure and the cathode, e.g. has a cross-section transverse to the beam axis from the same to the upper more than the cavity.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner zwei elektrische Kontaktstrukturen aufweisen, welche einen Strompfad zwischen den zwei elektrischen Kontaktstrukturen durch die Kathode hindurch definieren. Beispielsweise kann jede der zwei elektrischen Kontaktstrukturen einen Anschlussabschnitt aufweisen, welcher sich von der Kathode weg erstreckt und/oder ein Befestigungsmittel (z.B. eine Gewindebohrung oder einen Einsteckabschnitt) aufweist. Die zwei Kontaktstrukturen können elektrisch leitend und/oder körperlich, z.B. monolithisch, mit der Kathode verbunden sein. According to various embodiments, the electron beam source may further comprise two electrical contact structures defining a current path between the two electrical contact structures through the cathode. For example, each of the two electrical contact structures may have a terminal portion extending away from the cathode and / or having a fastener (e.g., a threaded bore or a male portion). The two contact structures may be electrically conductive and / or physically, e.g. monolithic, connected to the cathode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathodenanordnung und eine Anode, welche eine Strahlachse definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse; die Kathodenanordnung aufweisend: eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) zum Emittieren von Elektronen in einen Emissionsbereich, dessen Querschnittsfläche quer zur Strahlachse von der Emissionsfläche begrenzt wird; und eine Austrittsöffnung, welche den Emissionsbereich in Richtung der Anode zumindest teilweise freilegt zum Versorgen des Elektronenstrahls mit Elektronen aus dem Emissionsbereich. According to various embodiments, an electron beam source may include: a cathode assembly and an anode defining a beam axis for generating an electron beam along the beam axis; the cathode assembly comprising: an emission surface (e.g., primary emission surface, e.g., glow emission surface) for emitting electrons into an emission region whose cross-sectional area is transverse to the beam axis bounded by the emission surface; and an exit port exposing at least partially the emission region toward the anode for supplying the electron beam with electrons from the emission region.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Austrittöffnung gleich oder kleiner als die Querschnittsfläche des Emissionsbereichs sein. In dem Fall kann ein körperliches Abschirmen der Emissionsfläche erfolgen. Anschaulich kann die Emissionsfläche parallel zu der Strahlachse verlaufen und/oder in eine Richtung weg von der Anode weg gerichtet sein. Damit können sich entlang der Strahlachse ausbreitende Ionen kaum oder nicht mehr zur Emissionsfläche gelangen. Beispielsweise kann die Emissionsfläche trichterförmig oder ein kegelstumpfmantelflächenförmig ausgebildet sein. According to various embodiments, the exit opening may be equal to or smaller than the cross-sectional area of the emission area. In that case, physical shielding of the emission surface may occur. Clearly, the emission surface may be parallel to the beam axis and / or directed away from the anode in a direction. Thus, ions propagating along the beam axis can hardly or no longer reach the emission surface. For example, the emission surface may be funnel-shaped or a frustoconical surface.
Alternativ oder zusätzlich kann die Austrittöffnung gleich oder größer als die Querschnittsfläche des Emissionsbereichs sein. Damit kann anschaulich ein größerer Elektronenstrom bereitgestellt werden. Anschaulich kann die Emissionsfläche parallel zu der Strahlachse verlaufen und/oder leicht zur Anode hin gerichtet sein. Beispielsweise kann die Emissionsfläche trichterförmig oder ein kegelstumpfförmig (d.h. wie die Mantelfläche des Kegelstumpfes) ausgebildet sein. Alternatively or additionally, the outlet opening may be equal to or greater than the cross-sectional area of the emission area. This can clearly be a larger electron flow can be provided. Illustratively, the emission surface may be parallel to the beam axis and / or may be directed slightly toward the anode. For example, the emission surface may be funnel-shaped or frusto-conical (i.e., like the lateral surface of the truncated cone).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche mehrere Abschnitte aufweisen, welche je einen voneinander unterschiedlichen Verlauf zur Strahlachse aufweisen. Beispielsweise kann die Emissionsfläche auch doppel-trichterförmig oder doppel-kegelstumpfförmig ausgebildet sein. According to various embodiments, the emission surface may have a plurality of sections, each of which has a mutually different course relative to the beam axis. For example, the emission surface can also be formed in a double-funnel-shaped or double-frusto-conical shape.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Anode, entlang der Strahlachse von einer Öffnung (Anodenöffnung) durchdrungen sein. Mit anderen Worten kann die Anode eine Durchgangsöffnung (Anodenöffnung) aufweisen. Anschaulich kann die Anode dann als Hohlanode bezeichnet werden. Durch die Öffnung hindurch kann sich der Elektronenstrahl ausbreiten. According to various embodiments, the anode may be penetrated along the beam axis by an opening (anode opening). In other words, the anode may have a passage opening (anode opening). Clearly, the anode can then be referred to as a hollow anode. Through the opening, the electron beam can spread.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche des Emissionsbereichs in eine Richtung weg von der Anode und/oder zur Anode hin gleichbleibend oder zunehmend ausgebildet sein. According to various embodiments, the cross-sectional area of the emission region may be constant or increasing in a direction away from the anode and / or towards the anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Querschnittsfläche der Anodenöffnung gleich, kleiner oder größer der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung ausgebildet sein. According to various embodiments, a cross-sectional area of the anode opening may be formed equal to, smaller or larger than the cross-sectional area of the outlet opening.
Die Austrittsöffnung kann als die Öffnung der Kathodenanordnung verstanden werden, durch welche hindurch die Elektronen den Emissionsbereich in Richtung der Anode verlassen (anschaulich ein Elektronenstrom). Zwischen der Austrittsöffnung und der Anode kann sich ein freier Raum erstrecken, in welche ein elektrisches Feld (Beschleunigungsfeld) zum Beschleunigen der Elektronen gebildet sein oder werden kann. Die Austrittsöffnung kann eine Querschnittsfläche des in Richtung der Anode austretenden Elektronenstroms definieren. The outlet opening can be understood as the opening of the cathode arrangement, through which the electrons leave the emission area in the direction of the anode (clearly an electron current). A free space may extend between the exit opening and the anode, into which an electric field (acceleration field) for accelerating the electrons may or may be formed. The exit opening may define a cross-sectional area of the electron current emerging in the direction of the anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich das elektrische Beschleunigungsfeld teilweise in den Hohlraum der Kathode hinein erstrecken. Somit kann erreicht werden, dass die in dem Hohlraum bereitgestellten Elektronen effizient in Richtung der Anode beschleunigt werden. According to various embodiments, the electrical acceleration field may extend partially into the cavity of the cathode. Thus, it can be achieved that the electrons provided in the cavity are efficiently accelerated toward the anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode bzw. deren Emissionsfläche (Elektronenquelle) den Emissionsbereich umgeben. Beispielsweise kann die Emissionsfläche den Emissionsbereich bzw. dessen Querschnittsfläche an zumindest gegenüberliegenden Seiten quer zur Strahlachse begrenzen. Der Emissionsbereich kann anschaulich innerhalb der Kathode bereitgestellt sein oder werden. According to various embodiments, the cathode or its emission surface (electron source) can surround the emission region. For example, the emission surface may limit the emission region or its cross-sectional area on at least opposite sides transversely to the beam axis. The emission region can be or may be provided within the cathode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode bzw. deren Emissionsfläche mehrere Emissionsflächenabschnitte (auch als Flächenabschnitte bezeichnet) aufweisen, von denen zumindest zwei einander gegenüberliegende Emissionsflächenabschnitte die den Emissionsbereich auf dessen gegenüberliegenden Seiten begrenzen. According to various embodiments, the cathode or its emission surface may have a plurality of emission surface sections (also referred to as surface sections), of which at least two mutually opposite emission surface sections delimiting the emission region on its opposite sides.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung eine Kathode (Emissionsstruktur) aufweisen, welche die Emissionsfläche bereitstellt. Die Kathode kann eine Elektronenquelle bereitstellen, welche Elektronen für den Elektronenstrahl bereitstellt. According to various embodiments, the cathode assembly may include a cathode (emission structure) that provides the emission surface. The cathode may provide an electron source that provides electrons for the electron beam.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung eine rohrförmige Kathode (Rohrelement) aufweisen, welche die Emissionsfläche im inneren der Kathode bereitstellt. Anschaulich kann die Emissionsfläche mittels einer inneren Mantelfläche der rohrförmigen Kathode bereitgestellt sein oder werden. Mit anderen Worten kann die Kathodenanordnung ein Kathoden-Rohr aufweisen oder daraus gebildet sein, in dessen Inneren der Hohlraum bereitgestellt sein oder werden kann. Alternativ kann die Kathodenanordnung eine (z.B. entlang einer Rohrform) einlagig gewickelte Kathoden-Spule (Spule) aufweisen, in deren Inneren der Hohlraum bereitgestellt sein oder werden kann. Die Innenseite der einlagigen Kathoden-Spule (auch als Spiralkathode bezeichnet) kann dann die Emissionsfläche bereitstellen (d.h. als emittierende Fläche wirken). Alternativ kann die Kathodenanordnung ein rohrähnliches (z.B. ringförmiges) Rundelement (ringförmige Kathode) aufweisen oder daraus gebildet sein, welches z.B. im Wesentlichen eine Windung aus Flachmaterial aufweist oder daraus gebildet ist, in dessen Inneren der Hohlraum bereitgestellt sein oder werden kann. Alternativ dazu kann die Kathodenanordnung ein Rundelement, in dessen Inneren der Hohlraum bereitgestellt sein oder werden kann, aufweisen, welches sich trichterförmig in Richtung Anode öffnet, wobei der Durchmesser der Kathodenanordnung linear oder auch nichtlinear in Richtung Anode zu- oder abnehmen kann. According to various embodiments, the cathode assembly may include a tubular cathode (tube member) that provides the emission surface inside the cathode. Clearly, the emission surface can be provided by means of an inner circumferential surface of the tubular cathode or be. In other words, the cathode assembly may include or be formed from a cathode tube within which the cavity may be or may be provided. Alternatively, the cathode assembly may comprise a single-wound (e.g., along a tubular) cathode coil (coil) within which the cavity may or may be provided. The inside of the single-layered cathode coil (also referred to as spiral cathode) can then provide the emitting surface (i.e., act as an emitting surface). Alternatively, the cathode assembly may include or be formed of a tubular (e.g., annular) round member (annular cathode), which may be e.g. essentially comprises or is formed from a turn of flat material, in the interior of which the cavity can be or can be provided. Alternatively, the cathode assembly, a round element, in the interior of the cavity may be provided or may have, which opens in a funnel shape toward the anode, wherein the diameter of the cathode assembly can increase or decrease linearly or non-linearly in the direction of the anode.
Mit anderen Worten kann eine Kathodenanordnung mit einer rohrförmigen Geometrie bereitgestellt sein oder werden. In other words, a cathode assembly having a tubular geometry may or may not be provided.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner Folgendes aufweisen: eine Abschirmung, welche die Kathodenanordnung umgibt, wobei zwischen der Abschirmung und der Kathodenanordnung ein Spalt erstreckt ist zum thermischen Entkoppeln der Abschirmung von der Kathodenanordnung. According to various embodiments, the electron beam source may further include: a shield surrounding the cathode assembly, wherein a gap is extended between the shield and the cathode assembly for thermally decoupling the shield from the cathode assembly.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner Folgendes aufweisen: eine Kopplungsstruktur, welche die Abschirmung und die Kathodenanordnung elektrisch miteinander koppelt, wobei die Kopplungsstruktur zum Bereitstellen eines elektrischen Potentialunterschieds (Spannung) zwischen der Abschirmung und der Kathodenanordnung im Betrieb der Elektronenstrahlquelle eingerichtet ist. Die Abschirmung kann ein elektrisches Abschirmpotential bereitstellen, welches eine Emission von Elektronen in Richtung der Abschirmung unterdrückt. Der elektrische Potentialunterschied (elektrische Abschirmspannung) zwischen der Abschirmung (d.h. dem elektrischen Abschirmpotential) und der Kathodenanordnung (d.h. dem elektrischen Kathodenpotential) kann in einem Bereich von ungefähr 1 V bis ungefähr 50 V liegen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 2 V bis ungefähr 20 V, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 V bis ungefähr 10 V. According to various embodiments, the electron beam source may further include: a coupling structure electrically coupling the shield and the cathode assembly together, the coupling structure configured to provide an electrical potential difference (voltage) between the shield and the cathode assembly during operation of the electron beam source. The shield may provide an electrical shielding potential which suppresses emission of electrons in the direction of the shield. The electrical potential difference (electrical shielding voltage) between the shield (i.e., the electrical shielding potential) and the cathode assembly (i.e., the cathode electric potential) may range from about 1 V to about 50 V, e.g. in a range from about 2V to about 20V, e.g. in a range of about 5V to about 10V.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann an der Anode ein elektrisches Bezugspotential bereitgestellt sein oder werden (z.B. Erdpotenzial, d.h. elektrische Masse), z.B. optional mittels der Steuerung. An der Kathode (bzw. zumindest deren Emissionsflächen) kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein elektrisches Kathodenpotential (Hochspannungspotenzial) bereitgestellt sein oder werden, z.B. optional mittels der Steuerung. Das elektrische Kathodenpotential kann bezüglich des elektrischen Bezugspotentials negativ sein. Die Differenz des elektrischen Kathodenpotentials und dem elektrischen Bezugspotential kann die elektrische Beschleunigungsspannung (des elektrischen Beschleunigungsfeldes) definieren. Der elektrische Potentialunterschied zwischen der Abschirmung und der Anode kann größer sein als der elektrische Potentialunterschied zwischen Kathode (bzw. zumindest deren Emissionsflächen) und der Anode. Mit anderen Worten kann die elektrische Abschirmspannung auf das elektrische Bezugspotential bezogen negativ sein. According to various embodiments, an electrical reference potential may be provided at the anode (eg ground potential, ie electrical ground), eg optionally by means of the controller. According to various embodiments, an electric cathode potential (high-voltage potential) may be provided at the cathode (or at least its emission surfaces), for example optionally by means of the controller. The electrical cathode potential may be negative with respect to the electrical reference potential. The difference of the electric cathode potential and the electrical reference potential may define the electric acceleration voltage (of the electric acceleration field). The electrical potential difference between the shield and the anode may be greater than the electrical potential difference between the cathode (or at least their emission surfaces) and the anode. In other words, the electrical shielding voltage may be negative relative to the electrical reference potential.
Die Kopplungsstruktur und/oder die Steuerung können derart eingerichtet sein, dass zwischen der Kathode und der Abschirmung ein elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, beispielsweise ein elektrischer Widerstand größer als ungefähr 10 Ohm, z.B. größer als ungefähr 100 Ohm, z.B. größer als ungefähr 1000 Ohm (1 kOhm), z.B. größer als ungefähr 10 kOhm, z.B. größer als ungefähr 100 kOhm. The coupling structure and / or the controller may be configured such that an electrical resistance is provided between the cathode and the shield, for example, an electrical resistance greater than about 10 ohms, e.g. greater than about 100 ohms, e.g. greater than about 1000 ohms (1K ohms), e.g. greater than about 10 kohms, e.g. greater than about 100 kohms.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kopplungsstruktur ferner zum Halten der der Kathode und/oder der Strahlbündelungselektrode in einer definierten Lage relativ zu der Abschirmung eingerichtet sein. Anschaulich kann die Kopplungsstruktur eine Haltestruktur aufweisen oder daraus gebildet sein, welche die Kathode und/oder die Strahlbündelungselektrode hält. According to various embodiments, the coupling structure may further be configured to hold the cathode and / or the beam-focusing electrode in a defined position relative to the shield. Illustratively, the coupling structure can have or be formed from a holding structure which holds the cathode and / or the beam-bundling electrode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung ferner Folgendes aufweisen: eine Strahlbündelungselektrode, welche zwischen der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) und der Anode angeordnet ist und die Austrittsöffnung bildet. Die Strahlbündelungselektrode kann thermisch entkoppelt von der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) gehalten werden, z.B. mittels einer Haltestruktur. Beispielsweise kann die Haltestruktur an der Abschirmung und/oder an der Kathode befestigt und/oder abgestützt sein. Die Haltestruktur kann ferner die Strahlbündelungselektrode mit der Abschirmung und/oder der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) elektrisch koppeln, wobei die Haltestruktur zum Bereitstellen eines elektrischen Potentialunterschieds (Spannung) zwischen der Strahlbündelungselektrode und der Emissionsfläche im Betrieb der Elektronenstrahlquelle eingerichtet ist, z.B. derart, dass der Strahlbündelungselektrode und der Abschirmung ein im Wesentlichen gleiches elektrische Potential bereitgestellt ist oder wird. According to various embodiments, the cathode assembly may further comprise: a beam-bundling electrode disposed between the cathode (or its emission surface) and the anode and forming the exit opening. The beam focusing electrode may be thermally decoupled from the cathode (or its emission surface), e.g. by means of a holding structure. For example, the support structure may be secured and / or supported on the shield and / or on the cathode. The support structure may further electrically couple the beam-combining electrode to the shield and / or the cathode (or its emission surface), the support structure being configured to provide an electrical potential difference (voltage) between the beam-bundling electrode and the emission surface during operation of the electron-beam source, e.g. such that the beam-focusing electrode and the shield are or will be provided with a substantially equal electrical potential.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle ferner Folgendes aufweisen: eine Opferstruktur (z.B. in Form eines Opfertargetblocks), welche auf einer der Anode gegenüberliegenden Seite des Emissionsbereichs angeordnet ist und zumindest teilweise in Richtung der Anode freigelegt ist. Die Opferstruktur kann als Auffänger (Absorber) für den (sonst zerstäubenden) Ionenstrom wirken. Auf diese Weise kann eine Zerstäubung des Kathodenmaterials (Material der Kathodenanordnung) verringert oder vermieden werden. According to various embodiments, an electron beam source may further comprise: a sacrificial structure (e.g., in the form of a sacrificial target block) disposed on an opposite side of the emission region from the anode and exposed at least partially toward the anode. The sacrificial structure can act as a collector (absorber) for the (otherwise atomizing) ion current. In this way, a sputtering of the cathode material (material of the cathode assembly) can be reduced or avoided.
Die Kathode kann auf einer der Anode abgewandten Seite eine Öffnung (Rückseitenöffnung) aufweisen, z.B. wenn die Kathode rohrförmig ist. Die Opferstruktur kann die Rückseitenöffnung ganz oder teilweise abdecken. The cathode may have an opening (rear opening) on an opposite side of the anode, e.g. when the cathode is tubular. The sacrificial structure can completely or partially cover the rear opening.
Die Opferstruktur (Ionenabsorber) kann ein elektrisch leitfähiges Material (z.B. ionenabsorbierendes Material, anschaulich ein Auffängermaterial) aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. Kohlenstoff (z.B. in Form von Graphit), Molybdän und/oder Wolfram. The sacrificial structure (ion absorber) may comprise or be formed of an electrically conductive material (e.g., ion absorbing material, illustratively a scavenger material), e.g. Carbon (e.g., in the form of graphite), molybdenum and / or tungsten.
Die Opferstruktur kann von der Kathode elektrisch entkoppelt gehalten sein oder werden. Alternativ kann die Opferstruktur derart befestigt sein, dass ein elektrischer Potentialunterschied zwischen der Opferstruktur und der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) im Betrieb der Elektronenstrahlquelle bereitgestellt ist (z.B. mittels der Steuerung), z.B. derart, dass der Opferstruktur und der Abschirmung ein im Wesentlichen gleiches elektrisches Potential bereitgestellt ist oder wird und/oder derart, dass ein Potential der Opferstruktur bezüglich des Kathodenpotentials negativ ist. The sacrificial structure may or may not be electrically decoupled from the cathode. Alternatively, the sacrificial structure may be fixed such that an electrical potential difference between the sacrificial structure and the cathode (or its emission area) is provided during operation of the electron beam source (e.g., by the controller), e.g. such that a substantially equal electrical potential is or is provided to the sacrificial structure and the shield and / or such that a potential of the sacrificial structure with respect to the cathode potential is negative.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle ferner Folgendes aufweisen: eine Heizvorrichtung, welche eingerichtet ist, der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) thermische Energie zuzuführen zum Heizen der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche). Durch das Erhitzen kann die Emissionsfläche Elektronen emittieren, so genannte thermische Elektronen. Je mehr Elektronen die Emissionsfläche emittiert, umso größer können der Elektronenstrahlstrom und damit die Leistung des Elektronenstrahls sein, welcher aus den Elektronen gebildet wird (z.B. mittels einer Strahlführungsanordnung), und z.B. zum Prozessort geführt wird. According to various embodiments, an electron beam source may further include: a heater configured to supply thermal energy to the cathode (or its emission surface) to heat the cathode (or its emission surface). By heating, the emission surface can emit electrons, so-called thermal electrons. The more electrons the emission surface emits, the greater the electron beam current and hence the power of the electron beam which is formed from the electrons (for example by means of a beam guiding arrangement) and e.g. is led to the processing location.
Die Heizvorrichtung kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Indirekt-Heizvorrichtung aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. eine Strahlung-Heizvorrichtung. Die Indirekt-Heizvorrichtung kann eingerichtet sein, der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) mittels Strahlung thermische Energie zuzuführen, z.B. mittels Wärmestrahlung und/oder Teilchenstrahlung, wie Elektronenstrahlung. Dazu kann die Indirekt-Heizvorrichtung eine Strahlungsquelle aufweisen zum Erzeugen von Strahlung. According to various embodiments, the heating device may include or be formed from an indirect heating device, eg a radiation heating device. The indirect heating device may be configured to connect the cathode (or its Emission surface) by means of radiation thermal energy, for example by means of heat radiation and / or particle radiation, such as electron radiation. For this purpose, the indirect heating device can have a radiation source for generating radiation.
Optional kann die Indirekt-Heizvorrichtung eine Energiequelle aufweisen, welche der Strahlungsquelle elektrische Energie zuführt. Anschaulich kann die Strahlungsquelle eingerichtet sein, elektrische Energie in Strahlungsenergie umzuwandeln und der Kathode bzw. deren Emissionsfläche zumindest teilweise zuzuführen. Bei einer Indirekt-Heizvorrichtung kann die Energiezufuhr zur Kathode bzw. deren Emissionsfläche beispielsweise mittels der Energie der auf die Kathode beschleunigten Elektronen erfolgen, d.h. mittels der Spannung, mit der die auf die Kathode gerichteten Elektronen beschleunigt werden. Hierzu kann die Spannung (Heizspannung) zwischen der Strahlungsquelle (z.B. einem thermisch geheizten Filament) und der Kathodenanordnung von etwa 1000 V angelegt werden. Optionally, the indirect heating device may comprise an energy source which supplies electrical energy to the radiation source. Clearly, the radiation source can be set up to convert electrical energy into radiation energy and at least partially supply it to the cathode or its emission surface. In an indirect heating device, the energy supply to the cathode or its emission surface, for example, by means of the energy of the accelerated to the cathode electrons, i. by means of the voltage with which the electrons directed onto the cathode are accelerated. To this end, the voltage (heating voltage) between the radiation source (e.g., a thermally heated filament) and the cathode assembly of about 1000V may be applied.
Alternativ oder zusätzlich kann die Heizvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Direkt-Heizvorrichtung aufweisen oder daraus gebildet sein. Die Direkt-Heizvorrichtung kann einen elektrothermischen Wandler (z.B. ein resistives Heizelement) aufweisen, der eingerichtet ist, elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln. Beispielsweise kann der elektrothermische Wandler eine Heizwendel aufweisen oder daraus gebildet sein. Optional kann die Direkt-Heizvorrichtung eine Energiequelle aufweisen, welche dem elektrothermischen Wandler elektrische Energie zuführt. Der elektrothermische Wandler kann mit der Kathode bzw. deren Emissionsfläche thermisch leitend gekoppelt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der elektrothermische Wandler monolithisch mit der Emissionsfläche verbunden sein. Anschaulich kann dann der elektrothermische Wandler zumindest teilweise Teil der Kathode sein, z.B. wenn die Kathode zum Heizen von einem elektrischen Strom (Heizstrom) durchflossen wird. Anschaulich wird mittels der Kathode dann der elektrothermische Wandler bereitgestellt, z.B. indem diese von einem Heizstrom durchflossen wird. Alternatively or additionally, according to various embodiments, the heating device may include or be formed from a direct heating device. The direct heating device may include an electrothermal transducer (e.g., a resistive heating element) configured to convert electrical energy into thermal energy. For example, the electrothermal transducer may comprise or be formed from a heating coil. Optionally, the direct heater may include an energy source that supplies electrical energy to the electrothermal transducer. The electrothermal transducer can be thermally conductively coupled to the cathode or its emission surface. Alternatively or additionally, the electrothermal transducer may be monolithically connected to the emission surface. Illustratively, the electrothermal transducer may then be at least partially part of the cathode, e.g. when the cathode for heating by an electric current (heating current) is flowed through. Illustratively, the cathode then provides the electrothermal transducer, e.g. by flowing through it by a heating current.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung bzw. deren Kathode eine Öffnungsstruktur (z.B. Spalten oder Schlitze) aufweisen, welche sich von der Emissionsfläche aus (z.B. quer zu der Strahlachse) durch die Kathodenanordnung hindurch erstreckt und einen Strompfad definiert, welcher um den Emissionsbereich zumindest teilweise herum verläuft, zum Heizen der Kathodenanordnung mittels eines elektrischen Stroms. Anschaulich kann die Kathode von einem oder mehreren Schlitzen durchdrungen sein. Anschaulich kann die Kathodenanordnung eine direkt stromdurchflossene Kathode aufweisen. According to various embodiments, the cathode assembly or its cathode may have an opening structure (eg, gaps or slits) extending from the emission surface (eg, transverse to the beam axis) through the cathode assembly and defining a current path that is at least partially around the emission region runs, for heating the cathode assembly by means of an electric current. Clearly, the cathode can be penetrated by one or more slots. Illustratively, the cathode arrangement can have a cathode that flows directly through the current.
Die Elektronenstrahlquelle kann eine Strahlformierungsanordnung zum Führen des Elektronenstrahls (wird auch als Strahlbündler bezeichnet) aufweisen, welche die (von der Emissionsfläche) erzeugten Elektronen zusammenführt zu einem Strahl bündelt, d.h. den Elektronenstrahl formiert. Die Strahlformierungsanordnung kann beispielsweise ein elektrisches Feld (Beschleunigungsfeld) erzeugen, welches die Elektronen beschleunigt und zu einem Strahl konzentriert (d.h. z.B. kollimiert). The electron beam source may comprise a beam shaping arrangement for guiding the electron beam (also referred to as beamformer), which converges the electrons generated (from the emission surface) into a beam, i. formed the electron beam. For example, the beamforming arrangement may generate an electric field (acceleration field) which accelerates the electrons and concentrates them into a beam (i.e., collimates, for example).
Die Strahlformierungsanordnung kann zumindest die Anode und/oder die Strahlbündelungselektrode aufweisen. Zwischen der Anode und der Kathodenanordnung kann das elektrische Feld (Beschleunigungsfeld) zum Beschleunigen der Elektronen bereitgestellt sein oder werden. Die Strahlbündelungselektrode kann das Beschleunigungsfeld deformieren, z.B. einschnüren, wodurch anschaulich ein Linseneffekt erreicht wird, der die Elektronen kollimiert (bündelt). The beam-shaping arrangement may comprise at least the anode and / or the beam-focusing electrode. Between the anode and the cathode assembly, the electric field (acceleration field) may or may not be provided for accelerating the electrons. The beam-focusing electrode may deform the acceleration field, e.g. constrict, which clearly a lens effect is achieved, which collimates the electrons (bundles).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle (z.B. wenn diese in einem Hochleistungsmodus betrieben wird) einen Elektronenstrahl mit mehr als 5 kW bereitstellen, z.B. mit mehr als ungefähr 10 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 20 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 50 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 100 kW, z.B. mit von mehr als ungefähr 200 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 300 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 400 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 500 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 600 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 700 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 800 kW, z.B. in einem Bereich (Leistungsbereich) von ungefähr 5 kW bis ungefähr 1000 kW, z.B. in einem Bereich von ungefähr 100 kW bis ungefähr 50q kW oder in einem Bereich von ungefähr 5 kW bis ungefähr 50 kW oder in einem Bereich von ungefähr 10 kW bis ungefähr 800 kW. According to various embodiments, an electron beam source (e.g., when operated in a high power mode) may provide an electron beam greater than 5 kW, e.g. with more than about 10 kW, e.g. with more than about 20 kW, e.g. with more than about 50 kW, e.g. with more than about 100 kW, e.g. with more than about 200 kW, e.g. with more than about 300 kW, e.g. with more than about 400 kW, e.g. with more than about 500 kW, e.g. with more than about 600 kW, e.g. with more than about 700 kW, e.g. with more than about 800 kW, e.g. in a range (power range) of about 5 kW to about 1000 kW, e.g. in a range of about 100 kW to about 50 kW or in a range of about 5 kW to about 50 kW or in a range of about 10 kW to about 800 kW.
Dazu kann die Elektronenstrahlquelle eine Energieversorgung aufweisen, welche mit der Kathodenanordnung elektrisch gekoppelt ist. Die Energieversorgung kann der Kathodenanordnung elektrische Energie zuführen, z.B. einen elektrischen Strom. Beispielsweise kann die Energieversorgung eingerichtet sein, einen elektrischen Strom mit mehreren Ampere (A) bereitzustellen und der Kathodenanordnung zuzuführen (z.B. anschaulich durch die Kathodenanordnung hindurch zu treiben), z.B. einen elektrischen Strom mit mehr als ungefähr 0,1 A, z.B. mit mehr als ungefähr 0,5 A, z.B. mit mehr als ungefähr 1 A, z.B. mit mehr als ungefähr 2 A, z.B. mit mehr als ungefähr 5 A, z.B. mit mehr als ungefähr 10 A, z.B. mit mehr als ungefähr 20 A, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 A bis ungefähr 25 A. For this purpose, the electron beam source can have a power supply which is electrically coupled to the cathode arrangement. The power supply may provide electrical power to the cathode assembly, e.g. an electric current. For example, the power supply may be configured to provide a multiple ampere (A) electrical current and supply it to the cathode assembly (e.g., to drive it through the cathode assembly), e.g. an electrical current greater than about 0.1 A, e.g. with more than about 0.5 A, e.g. with more than about 1 A, e.g. with more than about 2 A, e.g. with more than about 5 A, e.g. with more than about 10 A, e.g. with more than about 20 A, e.g. in a range of about 10 A to about 25 A.
Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgung eingerichtet sein, eine elektrische Spannung (Beschleunigungsspannung) mit mehreren tausend V (Volt), d.h. im kV Bereich, bereitzustellen, z.B. zwischen der Kathodenanordnung (bzw. zumindest deren Emissionsfläche) und der Anode, zum Beschleunigen der Elektronen, z.B. eine elektrische Spannung mit mehr als ungefähr 5 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 10 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 20 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 30 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 40 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 50 kV, z.B. in einem Bereich von ungefähr 25 kV bis ungefähr 60 kV. Alternatively or additionally, the power supply can be set up, an electrical voltage (acceleration voltage) with several thousand V (volts), ie in the kV range, for example between the cathode arrangement (or at least its emission surface) and the anode, for accelerating the electrons, eg an electrical voltage of more than about 5 kV, eg more than about 10 kV, eg with more than about 20 kV, eg with more than about 30 kV, eg with more than about 40 kV, for example with more than about 50 kV, eg in a range from about 25 kV to about 60 kV.
Der elektrische Strom und/oder die elektrische Spannung, welche von der Energieversorgung bereitgestellt werden/wird, (z.B. der durch das Kathodensystem getriebene Strom) können eine elektrische Leistung definieren, welche die Energieversorgung der Elektronenstrahlquelle zuführt, bzw. welche die Elektronenstrahlquelle aufnimmt. Beispielsweise kann die Energieversorgung eingerichtet sein, eine elektrische Leistung im kW (Kilowatt) Bereich bereitzustellen und der Elektronenstrahlquelle zuzuführen, z.B. eine elektrische Leistung von mehr als ungefähr 5 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 10 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 20 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 50 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 100 kW, z.B. von mehr als ungefähr 200 kW, z.B. von mehr als ungefähr 300 kW, z.B. von mehr als ungefähr 400 kW, z.B. von mehr als ungefähr 500 kW, z.B. von mehr als ungefähr 600 kW, z.B. von mehr als ungefähr 700 kW, z.B. von mehr als ungefähr 800 kW, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 kW bis ungefähr 1000 kW, z.B. in einem Bereich von ungefähr 100 kW bis ungefähr 500 kW oder in einem Bereich von ungefähr 5 kW bis ungefähr 50 kW oder in einem Bereich von ungefähr 30 kW bis ungefähr 800 kW. The electrical current and / or voltage provided by the power supply (e.g., the current driven through the cathode system) may define electrical power that supplies the power to the electron beam source or that receives the electron beam source. For example, the power supply may be configured to provide and supply electrical power in the kW (kilowatt) range to the electron beam source, e.g. an electrical power greater than about 5 kW, e.g. with more than about 10 kW, e.g. with more than about 20 kW, e.g. with more than about 50 kW, e.g. with more than about 100 kW, e.g. greater than about 200 kW, e.g. greater than about 300 kW, e.g. greater than about 400 kW, e.g. greater than about 500 kW, e.g. greater than about 600 kW, e.g. greater than about 700 kW, e.g. greater than about 800 kW, e.g. in a range from about 5 kW to about 1000 kW, e.g. in a range of about 100 kW to about 500 kW, or in a range of about 5 kW to about 50 kW, or in a range of about 30 kW to about 800 kW.
Mit anderen Worten kann die Elektronenstrahlquelle die von der Energieversorgung bereitgestellte elektrische Leistung (oder zumindest einen Teil davon) in einen Elektronenstrahl umwandeln, welcher dann eine entsprechende elektrische Leistung aufweist. Die Leistung des Elektronenstrahls kann von der elektrischen Ladung definiert sein, welche der Elektronenstrahl in einer bestimmten Zeit über eine bestimmte Strecke transportiert. Mit anderen Worten kann die Leistung des Elektronenstrahls von der Menge der Elektronen und deren Geschwindigkeit definiert sein, welche den Elektronenstrahl bilden. Die Menge an Elektronen, welche der Elektronenstrahl pro Zeit transportiert, kann einen elektrischen Strom des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlstrom) definieren. Der Elektronenstrahlstrom kann mehr als ungefähr 0,1 A aufweisen, z.B. mehr als ungefähr 0,5 A, z.B. mehr als ungefähr 1 A, z.B. mehr als ungefähr 2 A, z.B. mehr als ungefähr 5 A, z.B. mehr als ungefähr 10 A, z.B. mehr als ungefähr 20 A, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 A bis ungefähr 25 A. In other words, the electron beam source can convert the electrical power provided by the power supply (or at least a portion thereof) into an electron beam, which then has a corresponding electrical power. The power of the electron beam may be defined by the electrical charge that the electron beam carries over a given distance in a given time. In other words, the power of the electron beam may be defined by the amount of electrons and their velocity, which form the electron beam. The amount of electrons that the electron beam transports per time can define an electric current of the electron beam (electron beam current). The electron beam current may be greater than about 0.1 A, e.g. more than about 0.5 A, e.g. more than about 1 A, e.g. more than about 2 A, e.g. more than about 5 A, e.g. more than about 10 A, e.g. more than about 20 A, e.g. in a range of about 10 A to about 25 A.
Beispielsweise ergibt sich bei einer Leistung von ungefähr 5 kW und einer Spannung von 50 kV ein Elektronenstrahlstrom von 0,1 A. For example, at a power of about 5 kW and a voltage of 50 kV, an electron beam current of 0.1 A.
Die Kathode, z.B. deren Emissionsfläche, und/oder die Abschirmung können ein hochtemperaturfestes Material aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. mit einer Aggregatszustand-Übergangstemperatur (z.B. Schmelztemperatur oder Sublimationstemperatur) von mehr als ungefähr 2000°C, z.B. mehr als ungefähr 3000°C. Ein hochtemperaturfestes Material kann ein Metall aufweisen oder daraus gebildet sein, wie Eisen (Fe), Titan (Ti), Platin (Pt), Chrom (Cr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Molybdän (Mo), Tantal (Ta) oder Wolfram (W). The cathode, e.g. their emission surface, and / or the shield may comprise or be formed from a high temperature resistant material, e.g. at an aggregate state transition temperature (e.g., melt temperature or sublimation temperature) greater than about 2000 ° C, e.g. more than about 3000 ° C. A high temperature resistant material may include or be formed from a metal such as iron (Fe), titanium (Ti), platinum (Pt), chromium (Cr), hafnium (Hf), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tantalum ( Ta) or tungsten (W).
Beispielsweise kann die Materialauswahl für die Emissionsfläche anhand deren Elektronenemission (in A/cm2) erfolgen, so dass anschaulich eine ausreichend hohe Elektronenemission als Funktion der Temperatur bereitgestellt sein oder werden kann. For example, the material selection for the emission surface can be based on its electron emission (in A / cm 2 ), so that clearly a sufficiently high electron emission as a function of temperature can be or can be provided.
Beispielsweise kann das hochtemperaturfestes Material eine Metallverbindung (z.B. eine intermetallische Verbindung oder eine Legierung) aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. eine Verbindung aus zumindest zwei Metallen, wie z.B. eine Titanlegierung, oder z.B. eine Verbindung aus zumindest einem Metall und mindestens einem nichtmetallischen Element, wie z.B. ein Carbit (z.B. Hafniumcarbid, Tantalcarbid, Tantalhafniumcarbid und/oder Wolframcarbit), ein Nitrid (z.B. Titannitrid), ein Borid (z.B. Lanthanhexaborid oder Ceriumhexaborid) oder eine Eisenlegierung (z.B. Stahl, z.B. Molybdänstahl oder Vanadiumstahl). For example, the high temperature resistant material may include or be formed from a metal compound (e.g., an intermetallic compound or an alloy), e.g. a compound of at least two metals, e.g. a titanium alloy, or e.g. a compound of at least one metal and at least one non-metallic element, e.g. a carbide (e.g., hafnium carbide, tantalum carbide, tantalum hafnium carbide and / or tungsten carbide), a nitride (e.g., titanium nitride), a boride (e.g., lanthanum hexaboride or cerium hexaboride), or an iron alloy (e.g., steel, e.g., molybdenum steel or vanadium steel).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle eine Lanthanhexaborid-Kathode oder Ceriumhexaborid-Kathode aufweisen. According to various embodiments, the electron beam source may comprise a lanthanum hexaboride cathode or cerium hexaboride cathode.
Die Abschirmung kann beispielsweise dasselbe Material aufweisen oder daraus gebildet sein wie die Kathode, z.B. deren Emissionsfläche, oder auch ein davon verschiedenes Material. For example, the shield may comprise or be formed from the same material as the cathode, e.g. their emission surface, or even a different material.
Die Kopplungsstruktur kann Kohlenstoff aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. in Form von Graphit, Kohlenstofffaser und/oder kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (auch als CFC bezeichnet). The coupling structure may include or be formed of carbon, e.g. in the form of graphite, carbon fiber and / or carbon fiber reinforced carbon (also referred to as CFC).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenkanone (Elektronenstrahlkanone) Folgendes aufweisen: eine Elektronenstrahlquelle, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie hierin beschrieben ist, eine Vakuumkammer (Strahlerzeugungskammer), in welcher die Elektronenstrahlquelle angeordnet ist und welche entlang der Strahlachse von einer Öffnung durchdrungen ist, so dass der Elektronenstrahl aus der Vakuumkammer durch die Öffnung hindurch austreten kann; und eine Ablenkanordnung zum Ablenken des aus der Vakuumkammer austretenden Elektronenstrahls gemäß einem oder mehreren Ablenkparametern. According to various embodiments, an electron gun (electron beam gun) may include: an electron beam source, according to various embodiments as described herein, a vacuum chamber (beam generating chamber) in which the electron beam source is disposed and which is penetrated along the beam axis by an opening, so that Electron beam from the Vacuum chamber can escape through the opening; and a deflection assembly for deflecting the electron beam exiting the vacuum chamber according to one or more deflection parameters.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenkanone eine Strahlfokussierungsanordnung aufweisen, welche eine oder mehrere Elektronenlinsen, auch als Strahlfokussierlinsen bezeichnet, aufweisen kann. Eine Elektronenlinse kann beispielsweise zum Erzeugen eines magnetischen Feldes eingerichtet sein (und dazu eine oder mehrere elektrische Spulen aufweisen) und/oder zum Erzeugen eines elektrischen Feldes eingerichtet sein (und dazu eine oder mehrere Elektroden aufweisen). According to various embodiments, the electron gun may comprise a beam focusing arrangement which may comprise one or more electron lenses, also referred to as beam focusing lenses. For example, an electron lens may be configured to generate a magnetic field (and may include one or more electrical coils) and / or may be configured to generate an electric field (and having one or more electrodes therefor).
Die Elektronenstrahlquelle kann zusammen mit der Ablenkanordnung und optional der Strahlfokussierungsanordnung Teil einer Elektronenstrahlkanone sein, welche es ermöglicht einen Elektronenstrahl in einen definierten Raumbereich (z.B. mit einem definierten Emissionswinkel) zu emittieren. Anschaulich kann die Ablenkanordnung die Richtung, bzw. den Verlauf, steuern und/oder regeln, mit der die Elektronenstrahlkanone den Elektronenstrahl emittiert. The electron beam source, together with the deflection arrangement and optionally the beam focusing arrangement, may be part of an electron beam gun, which makes it possible to emit an electron beam in a defined spatial area (e.g., with a defined emission angle). Clearly, the deflection arrangement can control and / or regulate the direction or the course with which the electron beam gun emits the electron beam.
Die Vakuumkammer, in der die Elektronenstrahlquelle angeordnet ist, kann auch als Strahlerzeugungskammer bezeichnet werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenkanone weitere Vakuumkammern aufweisen (welche zusammen ein Kammersystem bilden). Die Vakuumkammer(n), welche zwischen der Strahlerzeugungskammer und der Prozessierkammer angeordnet sind, können auch als Zwischenkammern bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann der Elektronenstrahl durch die Zwischenkammern hindurch geführt werden. The vacuum chamber in which the electron beam source is disposed may also be referred to as a beam generating chamber. According to various embodiments, the electron gun may have further vacuum chambers (which together form a chamber system). The vacuum chamber (s) disposed between the jet generating chamber and the processing chamber may also be referred to as intermediate chambers. In other words, the electron beam can be passed through the intermediate chambers.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: eine Prozessierkammer, welche einen Prozessierbereich aufweist; und eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie hierin beschrieben ist, zum Erzeugen eines auf den Prozessierbereich gerichteten Elektronenstrahls. According to various embodiments, a processing arrangement may include: a processing chamber having a processing area; and an electron beam source according to various embodiments as described herein for generating an electron beam directed at the processing region.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Hohlraumkathode und eine Anode zum Erzeugen eines Elektronenstrahls; wobei die Hohlraumkathode eine in Richtung der Anode ausgerichtete Hohlraumöffnung aufweist. According to various embodiments, an electron beam source may include: a cavity cathode and an anode for generating an electron beam; wherein the cavity cathode has a cavity-oriented cavity opening in the direction of the anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine die Strahlachse konzentrisch in einem vorgelagerten Raumbereich einer Anode umschließende Kathode (z.B. eine Hohlraumkathode) und die Anode zum Erzeugen eines Elektronenstrahls. Die Anode kann entlang der Strahlachse von einer Durchgangsöffnung durchdrungen sein (kann auch als Anodenbohrung bezeichnet werden). According to various embodiments, an electron beam source may include: a cathode (e.g., a cavity cathode) surrounding the beam axis concentrically in an upstream space region of an anode and the anode for generating an electron beam. The anode may be penetrated along the beam axis by a passage opening (may also be referred to as an anode bore).
Eine Hohlraumkathode kann einen Hohlraum aufweisen, welcher zumindest zu einer Seite hin (z.B. Richtung Anode) geöffnet ist. Mit anderen Worten kann die Hohlraumkathode eine Öffnung (Hohlraumöffnung) aufweisen, welche den Hohlraum freilegt. Optional kann der Hohlraum zusätzlich zu einer anderen Seite geöffnet sein (z.B. in Richtung weg von der Anode). Mit anderen Worten kann die Hohlraumkathode zwei Hohlraumöffnungen aufweisen, z.B. einander gegenüberliegend. Eine der Hohlraumöffnungen kann als Austrittsöffnung verwendet werden, z.B. wenn die Kathodenanordnung keine Strahlbündelungselektrode aufweist oder wenn die Strahlbündelungselektrode andersartig geformt ist. A cavity cathode may have a cavity which is open at least to one side (e.g., anode direction). In other words, the cavity cathode may have an opening (cavity opening) which exposes the cavity. Optionally, the cavity may be opened in addition to another side (e.g., away from the anode). In other words, the cavity cathode may have two cavity openings, e.g. opposite each other. One of the cavity openings may be used as an exit opening, e.g. when the cathode assembly has no beam focusing electrode or when the beam focusing electrode is shaped differently.
Eine Hohlraumkathode kann beispielsweise rohrförmig oder ringförmig sein. Optional kann die Hohlraumkathode eine oder mehrere Windungen (eine Schleife eines elektrischen Leiters) aufweisen, welche den Hohlraum umgeben und/oder begrenzen. Die Hohlraumkathode kann beispielsweise eine Spule aufweisen oder daraus gebildet sein, deren Kern den Hohlraum bildet. A cavity cathode may be tubular or annular, for example. Optionally, the cavity cathode may have one or more turns (a loop of electrical conductor) surrounding and / or delimiting the cavity. The cavity cathode may, for example, comprise or be formed from a coil whose core forms the cavity.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Hohlraumkathode verwendet werden mit einer Hohlraumöffnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls in eine Richtung der Hohlraumöffnung. According to various embodiments, a cavity cathode may be used having a cavity opening for generating an electron beam in a direction of the cavity opening.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathodenanordnung und eine Anode, welche eine Strahlachse definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse; die Kathodenanordnung aufweisend: eine Austrittsöffnung, deren Querschnittsfläche quer zur Strahlachse auf einer der Anode abgewandten Seite der Austrittsöffnung einen Hohlraum definiert, dessen Querschnittsfläche quer zur Strahlachse gleich, kleiner oder größer der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung ist; eine Kathode zum Bereitstellen freier Elektronen in dem Hohlraum; wobei sich der Hohlraum entlang der Strahlachse von der Austrittsöffnung aus an der Kathode vorbei oder in die Kathode hinein erstreckt. Eine Oberfläche der Kathode in Richtung des Hohlraums kann eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) bereitstellen. Mit anderen Worten kann sich der Hohlraum entlang der Strahlachse von der Austrittsöffnung aus an der Emissionsfläche vorbei erstrecken. According to various embodiments, an electron beam source may include: a cathode assembly and an anode defining a beam axis for generating an electron beam along the beam axis; the cathode arrangement comprising: an outlet opening whose cross-sectional area transversely to the beam axis on a side of the outlet opening facing away from the anode defines a cavity whose cross-sectional area is equal to, smaller or larger than the cross-sectional area of the outlet opening transverse to the beam axis; a cathode for providing free electrons in the cavity; wherein the cavity extends along the beam axis from the exit opening past the cathode or into the cathode. A surface of the cathode towards the cavity may provide an emitting surface (e.g., primary emission surface, e.g., glow emission surface). In other words, the cavity may extend along the beam axis from the exit opening past the emission surface.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Austrittsöffnung der Kathodenanordnung auf eine Ebene projiziert, welche quer zur Strahlachse verläuft, frei von einer Emissionsfläche sein. Mit anderen Worten kann die Emissionsfläche, auf die Ebene projiziert auf oder außerhalb der Austrittsöffnung angeordnet sein. Anschaulich kann die Emissionsfläche der Kathodenanordnung von der Austrittsöffnung zumindest teilweise abgeschirmt werden. Beispielsweise kann die Emissionsfläche der Kathodenanordnung von deren Strahlbündelungselektrode zumindest teilweise abgeschirmt werden. According to various embodiments, the exit opening of the cathode assembly may be projected onto a plane which is transverse to the Beam axis runs, be free of an emission surface. In other words, the emission surface projected onto the plane can be arranged on or outside the exit opening. Clearly, the emission surface of the cathode assembly can be at least partially shielded from the outlet opening. For example, the emission surface of the cathode arrangement can be at least partially shielded by its beam focusing electrode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathodenanordnung zum Emittieren von Elektronen in einen Emissionsbereich hinein; und eine Anode zum Bilden eines Elektronenstrahls aus den Elektronen; wobei die Kathodenanordnung den Emissionsbereich umgibt und eine Öffnung (Austrittsöffnung) aufweist, wobei die Öffnung den Emissionsbereich in Richtung der Anode freilegt und mit der Durchgangsöffnung fluchtet. According to various embodiments, an electron beam source may include: a cathode assembly for emitting electrons into an emission region; and an anode for forming an electron beam from the electrons; wherein the cathode assembly surrounds the emission region and has an opening (exit opening), wherein the opening exposes the emission region in the direction of the anode and is aligned with the passage opening.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche in einem Winkel (Emissionsflächenwinkel) zu der Strahlachse verlaufen (mit einer Öffnung des Winkels von der Anode weg und/oder zur Anode hin gerichtet), z.B. in einem Bereich von ungefähr 0° (d.h. parallel zur Strahlachse) bis ungefähr 45°, in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 20°, z.B. in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 10° (d.h. im Wesentlichen parallel zur Strahlachse), z.B. in einem Winkel kleiner als ungefähr 5°. Der Winkel der Emissionsfläche kann sich über den Bereich der Emissionsfläche ändern (beispielsweise wenn die Emissionsfläche entlang der Strahlachse gekrümmt verläuft, d.h. anschaulich eine gekrümmter Kegelstumpf). Mit anderen Worten kann die Emissionsfläche (Elektronen-Emissionsfläche) im Wesentlichen parallel, z.B. parallel, zu der Strahlachse verlaufen. According to various embodiments, the emission surface may be at an angle (emission surface angle) to the beam axis (with an opening of the angle away from the anode and / or towards the anode), e.g. in a range of about 0 ° (i.e., parallel to the beam axis) to about 45 °, in a range of about 0 ° to about 20 °, e.g. in a range of about 0 ° to about 10 ° (i.e., substantially parallel to the beam axis), e.g. at an angle less than about 5 °. The angle of the emission surface may change over the region of the emission surface (for example, when the emission surface is curved along the beam axis, i.e., a curved truncated cone, as is well understood). In other words, the emission area (electron emission area) may be substantially parallel, e.g. parallel to the beam axis.
Die Kathode bzw. deren Emissionsfläche kann den Hohlraum umgeben. Die Kathode bzw. deren Emissionsfläche kann sich vom Rand der Austrittsöffnung aus gesehen von der Anode weg erstrecken. The cathode or its emission surface can surround the cavity. The cathode or its emission surface can extend away from the anode as seen from the edge of the outlet opening.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathodenanordnung zum Emittieren von Elektronen in einen Emissionsbereich hinein; und eine Anode, welche eine Strahlachse definiert, entlang welcher die Anode von einer Öffnung durchdrungen ist, zum Bilden eines sich entlang der Strahlachse ausbreitenden Elektronenstrahls aus den Elektronen; wobei die Kathodenanordnung einen Hohlraum aufweist, in welchem der Emissionsbereich bereitgestellt ist, wobei der Hohlraum zu der Anode hin geöffnet ist, so dass dieser entlang der Strahlachse mit der Öffnung fluchtet. According to various embodiments, an electron beam source may include: a cathode assembly for emitting electrons into an emission region; and an anode defining a beam axis along which the anode is penetrated by an opening, for forming an electron beam propagating along the beam axis from the electrons; wherein the cathode assembly comprises a cavity in which the emission region is provided, wherein the cavity is open to the anode, so that it is aligned with the opening along the beam axis.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode bzw. deren Emissionsfläche den Hohlraum quer zu der Strahlachse begrenzen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum eine Öffnung aufweisen, welche diesen zu der Anode hin öffnet, wobei ein Querschnitt der Öffnung des Hohlraums größer, gleich groß oder kleiner sein kann, als eine Öffnung des Hohlraums der Anode. According to various embodiments, the cathode or its emission surface may define the cavity transverse to the beam axis. According to various embodiments, the cavity may have an opening that opens to the anode, wherein a cross-section of the opening of the cavity may be larger, equal or smaller than an opening of the cavity of the anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Strahlachse einen Ausbreitungsbereich der Elektronen definieren, welcher um die Strahlachse herum ausgedehnt ist. Der Ausbreitungsbereich der Elektronen kann die Ausdehnung des Elektronenstrahls quer zur Strahlachse, z.B. den Durchmesser des Elektronenstrahls definieren. Beispielsweise kann der Ausbreitungsbereich der Elektronen an der Anode von deren Durchgangsöffnung definiert (z.B. begrenzt) sein, durch welche sich der Ausbreitungsbereich der Elektronen hindurch erstreckt. An der Kathodenanordnung kann der Ausbreitungsbereich der Elektronen von deren Austrittsöffnung definiert (z.B. begrenzt) sein, in welchen sich der Ausbreitungsbereich der Elektronen hinein erstreckt. According to various embodiments, the beam axis may define a propagation region of the electrons that is extended about the beam axis. The propagation region of the electrons may be the extension of the electron beam transverse to the beam axis, e.g. define the diameter of the electron beam. For example, the propagation region of the electrons at the anode may be defined (e.g., limited) by their through-hole through which the propagation region of the electrons extends. At the cathode assembly, the propagation region of the electrons may be defined (e.g., limited) from their exit aperture into which the propagation region of the electrons extends.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Strahlachse einen Ausbreitungsbereich der Ionen definieren, welcher um die Strahlachse herum ausgedehnt ist. Der Ausbreitungsbereich der Ionen kann kleiner sein als die Ausdehnung des Elektronenstrahls quer zur Strahlachse. Anschaulich können die Ionen durch ein Wechselwirken der Elektronen des Elektronenstrahls mit Gasteilchen gebildet werden, so dass das Bilden von Ionen und deren Ausbreitungsbereich durch die Ausdehnung des Elektronenstrahls quer zur Strahlachse begrenzt wird. Beispielsweise kann der Ausbreitungsbereich der Ionen durch die Kathode hindurch zu der Opferstruktur erstreckt sein. According to various embodiments, the beam axis may define a propagation region of the ions that is extended about the beam axis. The propagation range of the ions may be smaller than the extent of the electron beam transverse to the beam axis. Clearly, the ions can be formed by an interaction of the electrons of the electron beam with gas particles, so that the formation of ions and their propagation range is limited by the extension of the electron beam transverse to the beam axis. For example, the propagation region of the ions may be extended through the cathode to the sacrificial structure.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle in einer Elektronenstrahlprozessanordnung dazu genutzt werden, ein Material mittels des Elektronenstrahls zu temperieren, zu schmelzen, zu verdampfen und/oder zu sublimieren. Eine Elektronenstrahlquelle kann beispielsweise in einer Beschichtungsanlage eingesetzt werden, einer sogenannten Elektronenstrahlverdampferanlage oder einem sogenannten Elektronenstrahlverdampfer, um beispielsweise Schichten auf entsprechenden Substraten abzuscheiden, z.B. um ein Substrat (aufweisend z.B. Glas, Folie, Metall, z.B. ein bandförmiges oder plattenförmiges Substrat) zu beschichten. Ferner kann eine Elektronenstrahlquelle zum Elektronenstrahlschmelzen eingesetzt werden, wobei beispielsweise ein Material mittels des Elektronenstrahls aufgeschmolzen wird. According to various embodiments, an electron beam source in an electron beam process arrangement can be used to temper, melt, vaporize and / or sublime a material by means of the electron beam. An electron beam source may, for example, be used in a coating machine, a so-called electron beam evaporator system or a so-called electron beam evaporator, for example to deposit layers on corresponding substrates, e.g. to coat a substrate (comprising, e.g., glass, foil, metal, e.g., a belt-shaped or plate-shaped substrate). Furthermore, an electron beam source for electron beam melting can be used, wherein, for example, a material is melted by means of the electron beam.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Kathode eine Ausdehnung quer zur Strahlachse in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 50 mm aufweisen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 30 mm, z.B. ungefähr 19 mm. According to various embodiments, a cathode may have a dimension transverse to the beam axis in a range of about 10 mm to about 50 mm, eg in a range of about 10 mm to about 30 mm, for example about 19 mm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum eine Ausdehnung quer zur Strahlachse in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 40 mm aufweisen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 25 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 14 mm bis ungefähr 19 mm. Beispielsweise kann die Ausdehnung zu der Anode hin um mehr als 1 mm zunehmen, z.B. um weniger als 10 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 2 mm bis ungefähr 5 mm. According to various embodiments, the cavity may have an extension transverse to the beam axis in a range of about 5 mm to about 40 mm, e.g. in a range of about 5 mm to about 25 mm, e.g. in a range of about 14 mm to about 19 mm. For example, the expansion to the anode may increase by more than 1 mm, e.g. less than 10 mm, e.g. in a range of about 2 mm to about 5 mm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Kathode eine Ausdehnung entlang der Strahlachse in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 150 mm aufweisen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 100 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 50 mm. According to various embodiments, a cathode may have an extent along the beam axis in a range of about 10 mm to about 150 mm, e.g. in a range of about 10 mm to about 100 mm, e.g. in a range of about 10 mm to about 50 mm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Durchgangsöffnung der Strahlbündelungselektrode eine Ausdehnung quer zur Strahlachse aufweisen, welche gleich oder größer der Ausdehnung des Hohlraums ist, z.B. weniger als 10 mm größer der Ausdehnung des Hohlraums, z.B. weniger als 5 mm größer der Ausdehnung des Hohlraums, z.B. in einem Bereich von ungefähr 15 mm bis ungefähr 25 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 19 mm bis ungefähr 22 mm. According to various embodiments, the passage opening of the beam-focusing electrode may have an extension transverse to the beam axis which is equal to or greater than the extent of the cavity, e.g. less than 10 mm larger than the extent of the cavity, e.g. less than 5 mm greater than the extent of the cavity, e.g. in a range of about 15 mm to about 25 mm, e.g. in a range of about 19 mm to about 22 mm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger einen Festkörper aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. ein Metall (wie zumindest Stahl oder Kupfer), z.B. ein unmagnetisches Metall, wie Wolfram oder Molybdän. Alternativ oder zusätzlich kann der Elektronenverdränger ein Halbmetall aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. Kohlenstoff in einer Kohlenstoffmodifikation (z.B. Graphit) oder in einem Karbid. According to various embodiments, the electron displacer may comprise or be formed from a solid, e.g. comprise or be formed from an electrically conductive material, e.g. a metal (such as at least steel or copper), e.g. a non-magnetic metal such as tungsten or molybdenum. Alternatively or additionally, the electron displacer may comprise or be formed from a semimetal, e.g. Carbon in a carbon modification (e.g., graphite) or in a carbide.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger eine Ausdehnung (z.B. Durchmesser) quer zur Strahlachse aufweisen in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 10 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 3 mm bis ungefähr 5 mm (Millimeter). Alternativ oder zusätzlich kann der Elektronenverdränger eine Ausdehnung (z.B. Durchmesser) quer zur Strahlachse aufweisen, welche kleiner ist als die Hälfte der dazu parallelen Ausdehnung des Hohlraums. According to various embodiments, the electron displacer may have an extension (e.g., diameter) transverse to the beam axis in a range of about 1 mm to about 10 mm, e.g. in a range of about 3 mm to about 5 mm (millimeters). Alternatively or additionally, the electron displacer may have an extension (e.g., diameter) transverse to the beam axis that is less than half of the cavity parallel thereto.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger eine Ausdehnung (z.B. eine Länge) entlang der Strahlachse aufweisen in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 10 cm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 5 cm (Zentimeter). Alternativ oder zusätzlich kann der Elektronenverdränger eine Ausdehnung (z.B. Durchmesser) quer zur Strahlachse aufweisen welche kleiner ist als die Hälfte der dazu parallelen Ausdehnung des Hohlraums. According to various embodiments, the electron displacer may have an extension (e.g., a length) along the beam axis in a range of about 5 mm to about 10 cm, e.g. in a range of about 5 mm to about 5 cm (centimeters). Alternatively or additionally, the electron displacer may have an extension (e.g., diameter) transverse to the beam axis that is less than half of the cavity parallel thereto.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger eine Öffnungsausdehnung (z.B. Länge der Durchgangsöffnung) entlang der Strahlachse aufweisen in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 10 cm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 5 cm (Zentimeter). Alternativ oder zusätzlich kann der Elektronenverdränger eine Öffnungsausdehnung (z.B. Innendurchmesser der Durchgangsöffnung) quer zur Strahlachse aufweisen welche kleiner ist als die Hälfte der dazu parallelen Ausdehnung des Hohlraums. According to various embodiments, the electron displacer may have an opening extent (e.g., length of the through-hole) along the beam axis in a range of about 5 mm to about 10 cm, e.g. in a range of about 5 mm to about 5 cm (centimeters). Alternatively or additionally, the electron displacer may have an opening extent (e.g., inner diameter of the passage opening) transverse to the beam axis which is less than half of the cavity parallel thereto.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigen Show it
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. In this regard, directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "front", "rear", etc. is used with reference to the orientation of the described figure (s). Because components of embodiments can be positioned in a number of different orientations, the directional terminology is illustrative and is in no way limiting. It should be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It should be understood that the features of the various exemplary embodiments described herein may be combined with each other unless specifically stated otherwise. The following detailed description is therefore not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. As used herein, the terms "connected," "connected," and "coupled" are used to describe both direct and indirect connection, direct or indirect connection, and direct or indirect coupling. In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference numerals, as appropriate.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Begriff "gekoppelt" oder "Kopplung" im Sinne einer (z.B. mechanischen, hydrostatischen, thermischen und/oder elektrischen), z.B. direkten oder indirekten, Verbindung und/oder Wechselwirkung verstanden werden. Mehrere Elemente können beispielsweise entlang einer Wechselwirkungskette miteinander gekoppelt sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann "gekuppelt" im Sinne einer mechanischen (z.B. körperlichen bzw. physikalischen) Kopplung verstanden werden, z.B. mittels eines direkten körperlichen Kontakts. Eine Kupplung kann eingerichtet sein, eine mechanische Wechselwirkung (z.B. Kraft, Drehmoment, etc.) zu übertragen. According to various embodiments, the term "coupled" or "coupling" may be used in the sense of (e.g., mechanical, hydrostatic, thermal and / or electrical), e.g. direct or indirect, connection and / or interaction. For example, multiple elements may be coupled together along an interaction chain. According to various embodiments, "coupled" may be understood in terms of mechanical (e.g., physical) coupling, e.g. by means of a direct physical contact. A clutch may be configured to transmit a mechanical interaction (e.g., force, torque, etc.).
Das Steuern kann verstanden werden als eine beabsichtigte Beeinflussung eines Systems. Dabei kann der Zustand des Systems gemäß einer Vorgabe verändert werden. Regeln kann als Steuern verstanden werden, wobei zusätzlich einer Zustandsänderung des Systems durch Störungen entgegengewirkt wird. Anschaulich kann die Steuerung eine nach vorn gerichtete Steuerstrecke aufweisen und somit anschaulich eine Ablaufsteuerung implementieren, welche eine Eingangsgröße in eine Ausgangsgröße umsetzt. Die Steuerstrecke kann aber auch Teil eines Regelkreises sein, so dass eine Regelung implementiert wird. Die Regelung weist im Gegensatz zu der reinen Vorwärts-Steuerung eine fortlaufende Einflussnahme der Ausgangsgröße auf die Eingangsgröße auf, welche durch den Regelkreis bewirkt wird (Rückführung). Mit anderen Worten kann alternativ oder zusätzlich zu der Steuerung eine Regelung verwendet werden bzw. alternativ oder zusätzlich zu dem Steuern ein Regeln erfolgen. The control can be understood as an intended influencing of a system. The state of the system can be changed according to a specification. Rules can be understood as taxes, with a change of state of the system is additionally counteracted by disturbances. Clearly, the controller may have a forward-looking control path and thus illustratively implement a flow control, which converts an input variable into an output variable. The control path can also be part of a control loop, so that a control is implemented. The control has, in contrast to the pure forward control on a continuous influence of the output variable on the input, which by the control loop is effected (return). In other words, as an alternative or in addition to the control, a regulation can be used or, alternatively or in addition to the control, a regulation can take place.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine elektrische Spannung als elektrische Potentialdifferenz (Differenz zweier elektrischer Potentiale) verstanden werden, z.B. zwischen zwei Elementen. Eine Spannung an einem Element (z.B. einem Anschluss, einer Struktur, einem Körper o.ä.) kann verstanden werden als die Differenz des elektrischen Potentials an dem Element zu einem Referenzpotential (z.B. elektrische Masse). Angaben über mehrere Spannungen können sich auf dasselbe Referenzpotential beziehen. Ist die Spannung an einem Element positiv, ist dessen elektrisches Potential größer als das Referenzpotential. Ist die Spannung an einem Element negativ, ist dessen elektrisches Potential kleiner als das Referenzpotential. Je größer die elektrische Spannung an einem Element ist, desto größer kann dessen elektrisches Potential sein. Eine Spannungsdifferenz (z.B. zwischen zwei Elementen) kann verstanden werden als die Differenz zweier Spannungen, welche, wenn die zwei Spannungen auf dasselbe Referenzpotential bezogen sind, der Differenz der entsprechenden elektrischen Potentiale (z.B. zwischen den zwei Elementen) entspricht (d.h. unabhängig vom Referenzpotential angegeben). Ein negativeres elektrisches Potential kann verstanden werden als einen größeren negativen Wert aufweisend, z.B. bezüglich des Referenzpotentials. Ein positiveres elektrisches Potential kann verstanden werden als einen positiven negativen Wert aufweisend, z.B. bezüglich des Referenzpotentials. According to various embodiments, an electrical voltage can be understood as an electrical potential difference (difference between two electrical potentials), e.g. between two elements. A voltage on an element (e.g., a terminal, a structure, a body, or the like) may be understood as the difference in electrical potential across the element to a reference potential (e.g., electrical ground). Information about several voltages can refer to the same reference potential. If the voltage on one element is positive, its electrical potential is greater than the reference potential. If the voltage at one element is negative, its electrical potential is less than the reference potential. The greater the electrical voltage across an element, the greater its potential can be. A voltage difference (eg between two elements) can be understood as the difference between two voltages which, when the two voltages are related to the same reference potential, corresponds to the difference of the corresponding electrical potentials (eg between the two elements) (ie given independent of the reference potential) , A more negative electrical potential can be understood as having a greater negative value, e.g. regarding the reference potential. A more positive electrical potential can be understood as having a positive negative value, e.g. regarding the reference potential.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Elektronenstrahlquelle zur Erzeugung von Elektronenstrahlen zur thermischen Bearbeitung bereitgestellt. Das thermische Behandeln kann aufweisen ein Target, z.B. ein Substrat (Werkstück) oder Verdampfungsgut, zu erwärmen. Das thermische Behandeln (der thermische Prozess) kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem Vakuum erfolgen. According to various embodiments, an electron beam source for generating electron beams for thermal processing is provided. The thermal treatment may include a target, e.g. a substrate (workpiece) or evaporate, to heat. The thermal treatment (the thermal process) may be done in a vacuum according to various embodiments.
Die aus der Kathode, bzw. deren Emissionsfläche, austretenden Elektronen werden von der Strahlbündelungselektrode zu einem Strahl gebündelt (formiert) und zu einer Anode (z.B. eine Hohlanode) hin beschleunigt. Die Elektronen passieren die Anode durch deren Öffnungen (z.B. eine Bohrung) hindurch, z.B. unbehindert. The electrons emerging from the cathode, or their emission surface, are bundled (formed) by the beam-bundling electrode into a beam and accelerated toward an anode (e.g., a hollow anode). The electrons pass through the anode through their openings (e.g., a bore), e.g. unhindered.
Optional passieren die Elektronen eine oder mehrere Kammer(n) (eines Kammersystems), das zumindest für eines von Folgendem eingerichtet ist: zur weiteren Strahlfokussierung, zur Strahlablenkung; zur Druckentkopplung. Optionally, the electrons pass through one or more chambers (of a chamber system) arranged for at least one of the following: for further beam focusing, for beam deflection; for pressure decoupling.
Die Elektronen, welche das Kammersystem verlassen, treten in die Prozessierkammer ein und erreichen den Auftreffort (Auftreffbereiche) in der Prozessierkammer, wo der gewünschte thermische Prozess erzeugt wird, z.B. das Target (Bestrahlungstarget). The electrons exiting the chamber system enter the processing chamber and reach the point of impact (landing areas) in the processing chamber where the desired thermal process is generated, e.g. the target (irradiation target).
Die Elektronenkanone kann als eigenständige Baugruppe an der Prozessierkammer befestigt, z.B. daran angeflanscht sein, und optional zumindest teilweise in diese hinein ragen. The electron gun may be attached to the processing chamber as a stand-alone assembly, e.g. be flanged to it, and optionally at least partially protrude into this.
Das Kammersystem kann eine oder mehrere Kammern (z.B. Vakuumkammern) aufweisen, welche zumindest teilweise separat evakuierbar (d.h. abpumpbar) sind (wird auch als differentielles Pumpen bezeichnet). Zum Abpumpen können die eine oder mehreren Kammern des Kammersystems mit einer Vakuumpumpenanordnung, aufweisend eine oder mehrere Vakuumpumpensysteme, gekoppelt sein. Ein Vakuumpumpensystem kann z.B. eine Hochvakuumpumpe und/oder eine Vorvakuumpumpe aufweisen. Separat abpumpbare Kammern des Kammersystems können mittels separater Vakuumpumpensysteme abgepumpt werden. The chamber system may include one or more chambers (e.g., vacuum chambers) which are at least partially separately evacuable (i.e., pumpable) (also referred to as differential pumping). For pumping out, the one or more chambers of the chamber system may be coupled to a vacuum pump assembly comprising one or more vacuum pumping systems. A vacuum pump system may e.g. a high vacuum pump and / or a backing pump. Separately pumpable chambers of the chamber system can be pumped by means of separate vacuum pump systems.
Mittels des Kammersystems kann eine vakuumtechnische Entkopplung (Druckentkopplung) zwischen dem Strahlerzeugungsbereich und dem Auftreffbereich (in dem das thermische Behandeln erfolgt) erreicht werden. Der Strahlerzeugungsbereich kann in einer ersten Kammer (Strahlerzeugungskammer) des Kammersystems bereitgestellt sein oder werden. In dem Strahlerzeugungsbereich können zumindest eine Anode und eine Kathodenanordnung angeordnet sein. By means of the chamber system, a vacuum decoupling (pressure decoupling) between the beam generating area and the impact area (in which the thermal treatment takes place) can be achieved. The beam generating area may be provided in a first chamber (beam generating chamber) of the chamber system. At least one anode and one cathode arrangement may be arranged in the beam generation area.
Alternativ kann die Elektronenkanone auch ohne differentielles Pumpen betrieben werden, z.B. mit einem Kammersystem, das nur eine Kammer aufweist oder mehrere Kammern, von denen nur eine, z.B. die Strahlerzeugungskammer, abgepumpt wird. Die Elektronenkanone kann je nach den vorliegenden Vakuumverhältnissen bei der Generierung des thermischen Prozesses mit oder ohne Zwischenkammer(n) (z.B. einzeln oder gemeinsam abgepumpt) betrieben werden. Alternatively, the electron gun may be operated without differential pumping, e.g. with a chamber system having only one chamber or a plurality of chambers, of which only one, e.g. the jet generating chamber is pumped out. Depending on the prevailing vacuum conditions, the electron gun can be operated with or without intermediate chamber (s) (e.g., pumped off individually or together) in the generation of the thermal process.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenkanone bzw. deren Elektronenstrahlquelle für Hochleistungsprozesse in einem Leistungsbereich von ungefähr 10 kW bis ungefähr 800 kW bereitgestellt sein oder werden. Mit anderen Worten kann ein Elektronenstrahl in dem in einem Leistungsbereich von ungefähr 10 kW bis ungefähr 800 kW bereitgestellt sein oder werden. According to various embodiments, an electron gun or its electron beam source may or may not be provided for high power processes in a power range of about 10 kW to about 800 kW. In other words, an electron beam may be or may be provided in a power range of about 10 kW to about 800 kW.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine direkt beheizte Kathodenanordnung bereitgestellt, durch welches im Vergleich zum indirekten Heizprinzip eine der sonst drei Hochspannungszuleitungen (z.B. eine Stoßstromversorgung) eingespart wird. According to various embodiments, a directly heated cathode assembly is provided by which, compared to the indirect Heating principle one of the otherwise three high voltage supply lines (eg a surge power supply) is saved.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mittels der Elektronenstrahlquelle bzw. deren (z.B. direkt beheizten) Kathodenanordnung zumindest eines von Folgendem verringert oder vermieden werden:
- a) Eine Emission von Elektronen aus einer der Anode zugewandten Oberfläche. Beispielsweise kann die Emissionsfläche, welche die Elektronen emittiert (d.h. die aktive Emissionsfläche), gegenüber der Anode abgeschirmt und/oder abgedeckt sein.
- b) Ein direkter Zerstäubungsangriff auf die aktive Emissionsfläche.
- c) Eine Emission von Elektronen auf der Außenseite der Kathodenanordnung. Mit anderen Worten kann eine Emission von Elektronen aus einer dem Emissionsbereich abgewandten Oberfläche unterdrückt sein oder werden, z.B. teilweise oder vollständig.
- a) An emission of electrons from an anode-facing surface. For example, the emission surface emitting the electrons (ie, the active emission surface) may be shielded and / or covered with respect to the anode.
- b) A direct atomization attack on the active emission surface.
- c) An emission of electrons on the outside of the cathode assembly. In other words, an emission of electrons from a surface facing away from the emission region can be or be suppressed, for example partially or completely.
Eine elektrisch wirksame Außenabschirmung (Abschirmung) kann die Emission von Elektronen (den Elektronenaustritt) an der Außenseite der Kathodenanordnung verringern oder verhindern. Mit anderen Worten erfolgt die Emission von Elektronen vornehmlich im Inneren der Kathodenanordnung, z.B. des Kathoden-Rohres. Die Elektronen folgen dem Potenzialgefälle (welches durch das Beschleunigungsfeld bereitgestellt ist) zur Anode und werden in der der Anode zugewandten Öffnung zu einem Strahl (Elektronenstrahl) formiert. An electrically effective outer shield (shield) may reduce or prevent the emission of electrons (the electron leak) on the outside of the cathode assembly. In other words, the emission of electrons occurs primarily inside the cathode assembly, e.g. of the cathode tube. The electrons follow the potential gradient (provided by the acceleration field) to the anode and are formed into a beam (electron beam) in the opening facing the anode.
Der Strom an Ionen (lonenstrom), welcher der Elektronenbewegung im Elektronenstrahl entgegen gerichtet ist, passiert die Kathodenanordnung bzw. deren Emissionsfläche zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig, z.B. im Wesentlichen vollständig), ohne die Kathode bzw. deren Emissionsfläche zu beaufschlagen und/oder zu zerstäuben. The current of ions (ion current), which is directed counter to the movement of electrons in the electron beam, at least partially (ie partially or completely, eg essentially completely) passes through the cathode arrangement or its emission surface without impinging on the cathode or its emission surface and / or to atomise.
Optional können die Kathodenanordnung und die Anode beweglich relativ zueinander gelagert sein. Mit anderen Worten können die Kathodenanordnung und/oder die Anode beweglich gelagert sein, z.B. gemeinsam mittels einer Lageranordnung und/oder separat voneinander mittels getrennter Lageranordnungen. Dies ermöglicht es, den Abstand der Kathodenanordnung und der Anode voneinander einzustellen (wird auch als Vario-Kathoden-Prinzip oder Vario-Anoden-Prinzip bezeichnet). Mittels des Abstands der Kathodenanordnung von der Anode kann die Strahlleistung bei gegebener Beschleunigungsspannung angepasst bzw. eingestellt werden. Optionally, the cathode assembly and the anode may be movably mounted relative to each other. In other words, the cathode assembly and / or the anode may be movably supported, e.g. together by means of a bearing arrangement and / or separately from each other by means of separate bearing arrangements. This makes it possible to adjust the distance of the cathode assembly and the anode from each other (also referred to as Vario-cathode principle or Vario-anode principle). By means of the distance of the cathode arrangement from the anode, the beam power can be adjusted or adjusted for a given acceleration voltage.
Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlleistung bei gegebener Beschleunigungsspannung mittels der Temperatur der Kathode bzw. deren Emissionsfläche angepasst bzw. eingestellt werden, z.B. indem die Stärke des Heizstroms angepasst bzw. eingestellt wird (Anpassen bzw. Einstellen des Heizstromdurchflusses). Alternatively or additionally, the beam power can be adjusted or adjusted for a given acceleration voltage by means of the temperature of the cathode or its emission surface, e.g. by adjusting or adjusting the intensity of the heating current (adjusting or setting the Heizstromdurchflusses).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein dornförmiges oder ringförmiges Element (allgemeiner auch als Elektronenverdränger bezeichnet), z.B. auf Kathodenpotenzial, welches konzentrisch in das rohr- bzw. ringförmige Kathodensystem hineinragt bzw. hindurchragt, bereitgestellt und/oder verwendet. Die Materialstärke des Elementes und die Stützung zur Halterung des Elementes können verhindern, dass das Element Temperaturen erreicht, bei denen es durch Elektronenemission zur Strahlformierung beiträgt. Das dorn- bzw. ringförmige Element kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen folgende Funktionen erfüllen: a) Auffangen des rückwärts gerichteten Ionenstroms (d.h. als Opferelement fungieren) und/oder b) eine Veränderung der Potenzialverhältnisse im Strahlerzeugungsbereich (auch als Emissionsbereich bezeichnet), mit der überkreuzte und/oder divergierende Strahlanteile vermieden werden. According to various embodiments, a mandrel-shaped or annular element (also referred to more generally as an electron displacer), e.g. on cathode potential, which projects concentrically into the tubular or annular cathode system or protrudes, provided and / or used. The material thickness of the element and the support for supporting the element can prevent the element from reaching temperatures at which it contributes to beam formation by electron emission. According to various embodiments, the mandrel-shaped or ring-shaped element can fulfill the following functions: a) collecting the backward ion current (ie acting as a sacrificial element) and / or b) changing the potential conditions in the beam generation region (also referred to as emission region) with the crossed and / or divergent beam portions are avoided.
Das Element (der Elektronenverdränger) kann beispielsweise Graphit, Molybdän und/oder Wolfram aufweisen oder daraus gebildet sein. The element (the electron displacer) may comprise or be formed from, for example, graphite, molybdenum and / or tungsten.
Das Element (der Elektronenverdränger) kann zur Strahlbündelung über die der Anode zugewandte Vorderkante der Kathode in den Strahlerzeugungsbereich hineinragen. Die Position der Vorderkante des Elements kann zu Strahl-Optimierungszwecken veränderbar sein. Das Element kann nachführbar gestaltet sein oder werden, um den durch den Ionenstrom erzeugten Materialabtrag zu kompensieren. The element (the electron displacer) can project into the beam-generating region via the anode-facing front edge of the cathode for beam focusing. The position of the leading edge of the element may be changeable for beam optimization purposes. The element may be trackable or may be designed to compensate for the material removal produced by the ionic current.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein ringförmiges und/oder rohrförmiges Elements (ringförmiger und/oder rohrförmiger Elektronenverdränger) gegenüber einem Dornelement (d.h. einem Vollmaterial-Elektronenverdränger) einen geringeren (z.B. aufgrund des Materialabtrags durch den Ionenrückstrom bewirkten) Verschleiß aufweisen. Ein großer Anteil der Ionen kann anschaulich das Rohr passieren und kann und an der Rohrrückseite auf das dort optional angeordnete Opferelement (auch als Opferstruktur bezeichnet) treffen. According to various embodiments, an annular and / or tubular member (annular and / or tubular electron displacer) may have a lower wear (e.g., a solid material electron displacer) compared to a mandrel member (e.g., due to ion erosion due to material removal). A large proportion of the ions can vividly pass through the pipe and can hit the pipe rear side on the optionally arranged there sacrificial element (also referred to as sacrificial structure).
Die Kathodenanordnung
Die Austrittsöffnung
Die Querschnittsfläche
Die Querschnittsfläche
Die Kathodenanordnung
Analog dazu kann die Strahlachse
Die Emissionsfläche
Die Querschnittsfläche
Anschaulich kann der Ionenstrom im Wesentlichen die Emissionsfläche passieren ohne mit dieser zu wechselwirken, da die Trajektorien der Ionen (Ionenbahn) auf Grund von deren höherer Masse gegenüber den Elektronen viel weniger abgelenkt werden können als Trajektorien der Elektronen (Elektronenbahnen). Clearly, the ion current can essentially pass through the emission surface without interacting with it, since the trajectories of the ions (ionic orbit) can be deflected much less than the trajectories of the electrons (electron orbits) because of their higher mass.
Alternativ kann die Querschnittsfläche
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode
Die Emissionsfläche
Die Kathode
Die Emissionsfläche
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche
Wie in
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Anode
Die Austrittsöffnung
Die Kathode
Die Emissionsfläche
Anschaulich kann die Querschnittsfläche
Die Elektronenstrahlquelle
Zwischen der Kathodenanordnung
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle
Optional kann die Elektronenstrahlquelle
Optional kann die Kopplungsstruktur
Die Elektronenstrahlquelle
Beispielsweise kann elektrische Energie in Form eines elektrischen Stroms (Heizstrom) entlang eines Strompfades durch die Kathode
Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Strom (Heizstrom) der Strahlungsquelle
Zwischen den Anschlüssen der Heizvorrichtung
Die Elektronenstrahlquelle
Die Abschirmung
Optional kann sich die Abschirmung
Die Abschirmung
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Abschirmung
Ferner kann zwischen der Abschirmung
Die Abschirmung
Die Kathodenanordnung
Der Elektronenstrahl kann eine Ausdehnung (z.B. Durchmesser) quer zur Strahlachse
Die Querschnittsfläche der Strahlbündelungsöffnung kann gleich, größer und/oder kleiner der Querschnittsfläche
Die Strahlbündelungsöffnung und die Anodenöffnung
Die Kathodenanordnung
Optional kann der Elektronenverdränger
Die Austrittsöffnung
Die Rückseitenöffnung
Alternativ oder zusätzlich kann die Opferstruktur
Die Opferstruktur
Beispielsweise kann der Elektronenverdränger
Die Strahlbündelungselektrode
Die Kopplungsstruktur
Die Opferstruktur
Die Elektronenstrahlquelle
Der Radialabschnitt
Alternativ kann die Abschirmung
Die Elektronenkanone
Die Kammeröffnung
Die Elektronenstrahlquelle
Die Elektronenkanone
Der abgelenkte Elektronenstrahl
Optional kann die Elektronenkanone
Die Prozessieranordnung
Alternativ oder zusätzlich kann die Prozessieranordnung
Die Elektronenstrahlquelle
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum
Das Wandelement
Alternativ kann der Hohlraum
Die Hohlraumkathode
Der Hohlraum
In der Hohlraumöffnung
Die Strahlbündelungselektrode
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung
Die Öffnungen
Die Öffnung(en)
Alternativ oder zusätzlich kann/können sich die Öffnung(en)
Alternativ kann/können sich die Öffnung(en)
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Prozessieranordnung
Ferner kann die Prozessieranordnung
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann in einer Vakuumkammer, z.B. der Prozessierkammer
Die Ablenkanordnung
Wie in
Zwischen der Kathode
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Emissionsfläche
Die Kathodenanordnung
Die Größe der Stirnfläche
Die Größe der Emissionsfläche
Weist die Stirnfläche
Beispielsweise kann die Kathode
Beispielsweise kann eine Ausdehnung der Innenquerschnittsfläche
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche
Der Hohlraum
Die Querschnittsfläche des Hohlraums kann kreisförmig sein oder eine andere Form aufweisen (z.B. auch eckig). The cross-sectional area of the cavity may be circular or of another shape (e.g., also angular).
Der Emissionsbereich
Das Material der Kathode
Anschaulich können die Kathode
Beispielsweise kann die Emissionsfläche
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Elektronenverdränger
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode
Die zwei elektrischen Kontaktstrukturen
Beispielsweise kann ein Blech in Form einer Halbschale
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode
In der ersten Konfiguration
Je weiter der Elektronenverdränger
In der ersten Konfiguration
Eine ähnliche Wirkung kann hervorgerufen werden, indem das elektrische Potential des Elektronenverdrängers
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann dem Elektronenverdränger
In der dritten Konfiguration (anschaulich eine zusätzliche Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration) kann anschaulich ein Elektronenstrahl mit einer kleineren Divergenz und/oder kleineren Leistung bereitstellt sein oder werden als in der zweiten Konfiguration
Die Veränderung der Lage des Elektronenverdrängers
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle eine Steuerung
Anschaulich kann mit einem zunehmend negativen elektrischen Potential des Elektronenverdrängers
Die Hochleistungsbetrieb-Konfiguration
In
Ausgehend von der Emissionsfläche
In der Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration
Anschaulich wird in der Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle
Optional kann der Elektronenverdränger
Optional kann die Stellvorrichtung
Das Verfahren
Das Emittieren kann beispielsweise aufweisen: Erzeugen einer Primäremission der Elektronen in den Hohlraum hinein, z.B. einer Glühemission. Das Erzeugen der Glühemission kann aufweisen: Erwärmen der Emissionsfläche auf eine Temperatur gleich oder größer zu einer Emissionstemperatur, welche z.B. anschaulich eine angestrebte Emissionsstromdichte ermöglicht. Die erste Richtung kann beispielsweise einen Winkel zur Strahlachse aufweisen, z.B. senkrecht zu dieser sein. Die Emissionstemperatur kann die Austrittsarbeit der Emissionsfläche repräsentieren. Anschaulich kann die Emissionstemperatur die Temperatur bezeichnen, bei der die Austrittsarbeit überwunden wird. Die Austrittsarbeit kann eine Materialkonstante sein. Die Emissionsstromdichte kann eine Funktion der Temperatur sein. The emitting may include, for example: generating a primary emission of the electrons into the cavity, e.g. an annealing emission. The generating of the glow emission may include: heating the emission surface to a temperature equal to or greater than an emission temperature, which is e.g. clearly a desired emission current density allows. For example, the first direction may be at an angle to the beam axis, e.g. be perpendicular to this. The emission temperature may represent the work function of the emission surface. Clearly, the emission temperature can designate the temperature at which the work function is overcome. The work function can be a material constant. The emission current density may be a function of temperature.
Das Verfahren
Das Verfahren
Das Verdrängen kann aufweisen: Verringern der Feldstärke des elektrischen Feldes in dem inneren Bereich. Das Verringern der Feldstärke des elektrischen Feldes in dem inneren Bereich kann erfolgen, indem ein Abstoßungspotential für die Elektronen in dem inneren Bereich gebildet wird. Anschaulich kann das Verdrängen aufweisen, dass die räumliche Verteilung des elektrischen Feldes im Hohlraum verändert wird. The displacement may include: reducing the field strength of the electric field in the inner region. Reducing the field strength of the electric field in the inner region can be done by forming a repulsion potential for the electrons in the inner region. Clearly, the displacement may have the effect that the spatial distribution of the electric field in the cavity is changed.
Beispielsweise kann ein (z.B. zentralsymmetrisches) der Bewegung der Elektronen entgegen gerichtetes Potential (auch als Abstoßungspotential bezeichnet, z.B. ein bezüglich der Anode negatives Potential) in dem inneren Bereich bereitgestellt sein oder werden. For example, one (e.g., center-symmetric) of the movement of the electrons may be provided with opposite potential (also referred to as repulsion potential, e.g., negative potential with respect to the anode) in the inner region.
Das Abstoßungspotential kann mittels des Elektronenverdrängers bereitgestellt sein oder werden, z.B. Indem der Elektronenverdränger in den Hohlraum hineingebracht wird und/oder indem ein elektrisches Potential in dem inneren Bereich des Hohlraums (z.B. das eines oder des Elektronenverdrängers, welcher in den Hohlraum hinein oder durch diesen hindurch erstreckt ist) in eine negative Richtung (z.B. vergrößert) verändert wird. The repulsion potential may or may not be provided by means of the electron displacer, e.g. By bringing the electron displacer into the cavity and / or by changing an electrical potential in the interior region of the cavity (eg, that of one or the electron displacer extending into or through the cavity) in a negative direction (eg, increased) becomes.
Der Elektronenverdränger bzw. des Abstoßungspotenzial begrenzt anschaulich den Raum, der den Elektronen innerhalb des Hohlraums zur Verfügung steht. The electron displacer or the repulsion potential clearly delimits the space available to the electrons within the cavity.
Das Verdrängen kann beispielsweise aufweisen: Zumindest teilweises Vergrößern eines Abstandes der Trajektorien von der Strahlachse und/oder zumindest teilweise Vermeiden von Überkreuzungen (z.B. z.B. Verringern der Anzahl der Überkreuzungen) der Trajektorien mit der Strahlachse. The displacement may include, for example: at least partially increasing a distance of the trajectories from the beam axis and / or at least partially avoiding crossovers (e.g., reducing the number of crossovers, for example) of the trajectories with the beam axis.
Das Verfahren
Das Verfahren
Das Verdrängen kann beispielsweise aufweisen: Zumindest teilweises Vergrößern eines Abstandes von Trajektorien von der Strahlachse und/oder zumindest teilweise Vermeiden von Überkreuzungen der Trajektorien mit der Strahlachse. The displacement may include, for example: at least partially increasing a distance of trajectories from the beam axis and / or at least partially avoiding crossovers of the trajectories with the beam axis.
Claims (17)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020213174A1 (en) | 2020-10-19 | 2022-04-21 | THEVA DüNNSCHICHTTECHNIK GMBH | ACTIVELY COOLED ELECTRON GUN FOR MATERIAL EVAPORATION IN VACUUM |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE2118833A1 (en) * | 1970-04-24 | 1971-11-11 | Philips Nv | Electric discharge tube with a gas filling and a hollow cathode |
-
2016
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Patent Citations (1)
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